Водосбросная плотина в составе средненапорного гидроузла

1.doc

Московский государственный строительный университет
Кафедра гидротехнических сооружений
«Водосбросная плотина в составе
средненапорного гидроузла»
ГЛАВА I. ОПИСАНИЕ РАЙОНА СТРОИТЕЛЬСТВА3
ГЛАВА II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ВОДОСЛИВНОЙ ПЛОТИНЫ4
II.1. Выбор удельного расхода на рисберме4
II.2. Определение ширины водосливного фронта5
II.3. Определение отметки гребня водослива6
II.4. Определение форсированного подпорного уровня8
II.5. Расчет сопряжения бьефов при маневрировании затворами9
II.6. Конструирование водобойной плиты15
II.7. Конструирование рисбермы и ковша15
ГЛАВА III. ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ РАСЧЕТЫ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ПОДЗЕМНОГО КОНТУРА17
III.1. Конструирование подземного контура17
III.2. Построение эпюры фильтрационного противодавления17
III.3. Определение фильтрационного расхода18
III.4. Расчет фильтрационной прочности грунтов18
ГЛАВА IV. СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ВОДОСЛИВНОЙ ПЛОТИНЫ20
IV.1. Сбор действующих нагрузок20
IV.2. Расчет контактных напряжений23
IV.3. Расчет устойчивости на плоский сдвиг23
ГЛАВА V. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ПРОПУСКА СТРОИТЕЛЬНЫХ РАСХОДОВ25
V.1. Схема пропуска строительных расходов25
V.2. Расчет пропуска расхода перекрытия25
V.3. Гидравлический расчет пропуска первого строительного паводка25
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ27
Глава I. Описание района строительства
Для проектирования комплексного гидроузла получены исходные данные: план в створе плотины геологический разрез по створу плотины характеристики грунта основания и берегов кривая расхода расчетные расходы воды отметки НПУ и УМО характеристики ГЭС и шлюза.
Расчетный максимальный расход воды через гидроузел задан с учетом расчетной ежегодной вероятности превышения максимальных расходов воды в соответствии со СНиП 2.06.01-86. Расчетный расход Qрасч = 10000 м3с поверочный расход Qmax = 11400 м3с. При расчетном расходе уровень реки равен 129.0 м. Отметка нормального подпорного уровня НПУ=140.0 м отметка дна реки дна = 113.7 м.
В составе гидроузла находится здание ГЭС длиной LГЭС =280 м и удельным расходом qГЭС=18 м3(с×пог.м). Для обеспечения движения судов в гидроузел включен шлюз с параметрами: 290305.5 м.
Стратиграфическая колонка данного района строительства состоит из одного грунта – песка мелкозернистого. Угол внутреннего трения j = 32° коэффициент фильтрации Кф = 4.1×10-4 смс.
В холодное время года в водохранилище образуется ледяной покров но его сразу же сбрасывают в нижний бьеф.
Глава II. Гидравлические расчеты водосливной плотины
II.1. Выбор удельного расхода на рисберме
Выбор удельного расхода через водосбросные и водопропускные сооружения выполняется путем технико-экономического сравнения вариантов с учетом геологического строения основания скоростей течения допускаемой глубины размыва условия гашения энергии и растекания потока в нижнем бьефе.
Для определения удельного расхода на предварительных стадиях проектирования воспользуемся следующими способами.
) По допустимым скоростям за рисбермой
Задаемся допустимой средней скоростью на рисберме в зависимости от вида грунта на котором располагается рисберма:
-для песчаных грунтов: 2.5 3.0 мс;
Принимаем допускаемую не размывающую скорость Vдоп = 2.5 мс т.к. основание песчаный грунт.
Принимаем отметку поверхности воды на рисберме равной отметке поверхности воды в реке в естественных условиях. И по кривой Q = f(h) находим отметку уровня воды в нижнем бьефе при расчетном расходе. Расчетный расход равен Qрасч = 10000 м3с отметка нижнего бьефа равна НБ = 129.0 м. Зная отметку дна реки дна = 113.7 м находим глубину потока в нижнем бьефе .
Определяем удельный расход:
) По способу Б.И. Студеничникова
Яма размыва русла в песчаных грунтах обычно составляет:
hяр = (2.03.0)×hнб;
Принимаем яму размыва:
Используя формулу удельного расхода Б.И. Студеничникова:
15 – коэффициент размывающей способности (зависит от длины крепления в нижнем бьефе);
g – ускорение свободного падения g = 9.81 мс2;
dэквив. – эквивалентный диаметр агрегатов (для глинистых грунтов зависит от e);
Kр – коэффициент размывающей способности потока зависящий от коэффициента кинетической энергии и условий схода потока с рисбермы;
c - коэффициент неравномерного распределения удельного расхода .
Формула Студеничникова – самая точная. Она позволяет учесть расстояние до конца крепления и оценить размер при укороченном креплении.
).По способу К.И. Россинского
Uо1 – не размывающая скорость при глубине потока 0.5 м. Для песка имеем Uо1 = 0.5 мс;
hрисб. – высота на рисберме принятая равной глубине в нижнем бьефе.
Принимаем удельный расход на рисберме qрисб = 30.0 м2с.
II.2. Определение ширины водосливного фронта
Водосливная грань состоит из быков и пролетов через которые производится пропуск воды.
Расход который должен быть пропущен через водослив будет равен расчетному расходу минус расход который пропускает здание ГЭС.
Qвс = Qр – Qгэс = 10000 – (280 18) = 4960 м3с
n – количество пролётов;
n-1 – количество быков.
Удельный расход на водосливе:
qр – удельный расход на рисберме;
db – отношение ширины быка к ширине пролёта принимаем db=0.2.
Длина водосбросного фронта:
Qвс – расход через водослив;
qв – удельный расход через водослив.
Принимаем 10 пролётов по 14 м и ширину быка равной 4.0 м.
Уточняем удельный расход через водослив:
b – ширина одного пролёта.
где d – ширина быка.
Удельный расход на рисберме:
Окончательно принимаем 10 пролётов по 14 м и 9 быков шириной 4.0 м (Схема 2).
II.3. Определение отметки гребня водослива
Методом последовательных приближений находим напор на водосливе и отметку гребня водослива.
e – коэффициент бокового сжатия снижающий пропускную способность за счёт неравномерного подхода струи;
m – безразмерный коэффициент расхода зависящий от типа водосливной плотины и от специфики условий её работы;
sn – коэффициент подтопления со стороны нижнего бьефа учитывающий пропускную способность водослива (если УНБ выше отметки гребня то sn 1.0 и пропускная способность снижается);
Ho – напор на водосливе складывающийся из статического напора H и скоростного напора где V0 – скорость подхода воды к плотине в верхнем бьефе.
Таким образом имеем:
H – статический напор;
b – ширина одного пролёта;
B – ширина потока перед пролетом (b+n).
– постоянная величина показывающая зависимость профиля водослива от величины горизонтальной вставки.
W - площадь живого сечения реки по створу.
Для вычисления скоростного напора необходимо знать скорость подхода потока воды к плотине в верхнем бьефе. Для её вычисления определяем площадь живого сечения реки:
тогда скорость подхода воды равна:
Так как V0 0.5 мс т.е. 0.12 мс 0.5 мс влияние скорости подхода воды к плотине в верхнем бьефе на статический напор можно не учитывать.
при m = 0.48 e = 1 sп = 1 (подтопления нет)
Высота водослива P = T – H где
так как гр.в. > Н.Б. т.е. 133.48 м > 129.0 м следовательно подтопления нет sп = 1.
при m = 0.446 e = 0.977 sп = 1 (подтопления нет)
так как гр.в. > Н.Б. т.е. 133.04 м > 129.0 м следовательно подтопления нет sп = 1.
при m = 0.439 e = 0.977 sп = 1 (подтопления нет)
Принимаем Н = 7.02 м; Р = 19.28 м; гр.в = 132.98 м.
Очертание водослива практического профиля строится по известным координатам Кригера – Офицерова. Внизу водосливная поверхность плотины плавно сопрягается с горизонтальной поверхностью крепления нижнего бьефа цилиндрической поверхностью радиусом R.
Координаты для построения оголовка безвакуумного водослива с оголовком профиля А для напора Н=7.02 м.
Нижнюю часть водосливной грани очерчиваем по дуге круга радиусом R. Величина этого радиуса назначается в зависимости от высоты плотины и напора на гребне водослива.
Для Н = 7.02 м и Р = 19.28 м принимаем R = 16 м.
II.4. Определение форсированного подпорного уровня
Отметка Ф.П.У. достигается при пропуске катастрофического расхода Qповер..
Расход на водосливе при пропуске катастрофического расхода:
Qповер. – поверочный расход;
QГЭС – расход воды через здание ГЭС.
при m = 0.44 e = 0.977 sп = 1:
при m = 0.452 e = 0.977 sп = 1:
II.5. Расчет сопряжения бьефов при маневрировании затворами
За водосбросной плотиной на нескальном основании принимают донный режим сопряжения бьефов с затопленным гидравлическим прыжком. Не допускается отогнанный прыжок при котором гашение энергии менее эффективно. Требуется укрепление нижнего бьефа на более протяженной длине что экономически не выгодно.
При ширине пролета b=14 м целесообразней принять плоский затвор. Расчетные открытия затворов принимаем равными 02Н; 04Н Н. Расчет маневрирования затворами производим для семи расчетных случаев. Целью расчета является определение условий затопления гидравлического прыжка устройство водобойного колодца.
)Один пролет открываем на . Отметку воды в нижнем бьефе Н.Б. определяем по графику зависимости Q = f(h) при Q = QГЭС Н.Б. = 125.0 м.
Глубина в нижнем бьефе за сооружением:
Н.Б.. – отметка воды в нижнем бьефе при пропуске расчётного расхода;
дна – отметка дна реки при нулевом расходе дна = 113.7 м.
Удельный расход при истечении из-под щита qа:
φ – коэффициент скорости равный φ = 0.98;
eВ – коэффициент вертикального сжатия струи;
Глубина в сжатом сечении:
Первое приближение hсж = 0.5 м:
Второе приближение hсж = 0.4 м:
Принимаем hсж = 0.4 м.
Число Фруда в сжатом сечении:
Определяем взаимно сопряженную глубину:
Так как идет растекание потока определяем :
так как пролетов > 6.
следовательно прыжок затоплен.
)Все пролеты открываем на . Отметку воды в нижнем бьефе Н.Б. определяем по графику зависимости Q = f(h) при Н.Б. = 126.2 м.
)Один пролет открываем на . Отметку воды в нижнем бьефе Н.Б. определяем по графику зависимости Q = f(h) при Н.Б. = 126.2 м.
Второе приближение hсж = 0.8 м:
Принимаем hсж = 0.804 м.
)Один пролет открываем на . Отметку воды в нижнем бьефе Н.Б. определяем по графику зависимости Q = f(h) при Н.Б. = 127.0 м.
> следовательно прыжок не затоплен.
)Один пролет открываем полностью. Отметку воды в нижнем бьефе Н.Б. определяем по графику зависимости Q=f(h) при Н.Б. = 127.0 м.
Второе приближение hсж = 1.63 м:
Принимаем hсж = 1.67 м.
> следовательно прыжок затоплен.
)Все пролеты открываем полностью. Отметку воды в нижнем бьефе Н.Б. определяем по графику зависимости Q=f(h) при Н.Б. = 129.0 м.
следовательно прыжок не затоплен.
)Все пролеты открываем полностью. Отметку воды в нижнем бьефе Н.Б. определяем по графику зависимости Q=f(h) при Н.Б. = 129.6 м.
Второе приближение hсж = 2.02 м:
Принимаем hсж = 2.08 м.
Расчеты сводим в таблицу:
Из расчетов видно что для затопления гидравлического прыжка не требуется устройство водобойного колодца.
II.6. Конструирование водобойной плиты
Водобойную плиту выполняют в виде массивной армированной бетонной плиты. Плита водобоя под действующими на нее силами может всплыть опрокинуться в сторону нижнего бьефа или сдвинуться.
– длина гидравлич. прыжка
– длина водобойной плиты
Примем длину водобойной плиты 52 м.
Толщину водобойной плиты можно определить по формуле В.Д. Домбровского
Vсж – скорость течения в сжатом сечении ;
hсж – глубина в сжатом сечении.
Так же толщина водобойной плиты должна удовлетворять условия:
Принимаем t = 5.2 м.
Гасители подвержены кавитационной эрозии поэтому их слишком близкое расположение к началу водобойной плиты нежелательно. Наиболее оптимально расположение гасителей на расстоянии от начала водобойной плиты. Располагаем их на расстоянии 6 м.
II.7. Конструирование рисбермы и ковша
Рисберма – это участок крепления русла расположенный за водобоем. На рисберме происходит уменьшение осредненных скоростей и пульсации скоростей. Рисберму выполняют в виде крепления постепенно облегчающегося по течению. Обычно крепление устраивают из бетонных плит. Толщину плиты в начале рисбермы принимаем равной двум третям от толщины водобоя. Следующая плита рисбермы будет составлять две третьих от предыдущей.
Находим длину крепления русла за водосливом:
Проектируем плиты рисбермы:
Концевой участок рисбермы заглубляют с уклоном 1:4 в результате чего образуется ковш предназначенный для защиты рисбермы от подмыва. Глубина воды в ковше рассчитывается по методике Б.И. Студеничникова.
Глава III. Фильтрационные расчеты и конструирование подземного контура
III.1. Конструирование подземного контура
При проектировании подземного контура плотины надо решить задачи по удовлетворению нормативных требований по прочности и устойчивости основания а также учесть условия и способ возведения.
В основании проектируемой плотины залегает нескальное основание (песок) следовательно плотины будет иметь развитый в вертикальном направлении подземный контур.
Шпунт предназначен для увеличения пути фиьтрации.
S0=26 м - глубина подземного контура;
Такт=08× S0+05× l0= 468 м - активная глубина фильтрации при l0S0=2.
III.2. Построение эпюры фильтрационного противодавления
Построение эпюры противофильтрационного давления производим методом коэффициентов сопротивления. Разработчиком данного метода является Р.Р. Чугаев. Согласно этому методу принятый подземный контур разбивается на вертикальные и горизонтальные элементы.
Производим расчет коэффициентов сопротивления для каждого участка:
Производим расчет потерь напора на каждом участке:
Строим эпюру фильтрационного противодавления:
III.3. Определение фильтрационного расхода
Удельный фильтрационный расход может быть определен по формуле:
где Кф=41×10-6 мс - коэффициент фильтрации.
Qф=Bрисб·q=176·334·10-6=5887·10-4 м3с
III.4. Расчет фильтрационной прочности грунтов
Производим проверку общей фильтрационной прочности грунта основания. Для этого находим осредненное значение градиента напора в основании сооружения и сравниваем его с критическим значением требуемого по СНиП 2.02.02-85.
Icrm – расчетное значение критического градиента напора равное 0.32;
γn – коэффициент надежности по степени ответственности сооружения для I класса γn=1.25.
Сконструированный подземный контур удовлетворяет условиям фильтрационной прочности грунта основания.
Глава IV. Статический расчет водосливной плотины
Статический расчет производим для секции водосливной плотины. Расчет ведем при наихудшем сочетании действующих нагрузок: в верхнем бьефе уровень воды находится на отметке НПУ а в нижнем бьефе на минимальном уровне.
IV.1. Сбор действующих нагрузок
Сбор нагрузок производится по расчетной схеме (М 1:500).
Вес воды на водосливе
Гидростатическое давление с Нб и гидростатическое давление с Вб
Взвешивающее противодавление и фильтрационное противодавление
Сумма горизонтальных сил Q = 78716 кН.
Сумма вертикальных сил Р = 267920 кН.
Сумма моментов М = 104866 кНм.
Схема нагрузок (М1:500):
IV.2. Расчет контактных напряжений
Напряжения на подошве с верховой и низовой стороны равны
P – сумма вертикальных нагрузок;
F – площадь подошвы основания;
M – суммарный момент
W – момент сопротивления сечения.
макс = 383.82 кПа = 0.38382 МПа = 3.8383 кгсм2 = 38.382 Тм3.
мин = 342.24 кПа = 0.34224 МПа = 3.4224 кгсм2 = 34.224 Тм3.
Коэффициент неравномерности распределения напряжений:
Что допустимо на данном грунте.
IV.3. Расчет устойчивости на плоский сдвиг
Критерием обеспечения устойчивости сооружения является условие:
F R – расчетные значения соответственно обобщенных сдвигающих сил и сил предельного сопротивления;
– коэффициент сочетания нагрузок принимаемый: для основного сочетания нагрузок – 1.0;
– коэффициент условий работы принимаемый равным 1.0;
– коэффициент надежности по степени ответственности сооружений принимаемый равным 1.25 для сооружения I класса.
Коэффициент устойчивости секции против сдвига:
Устойчивость сооружения обеспечена но требования по запасу устойчивости перевыполнены. Следовательно плотину необходимо облегчить.
Сооружение устойчиво по схеме плоского сдвига. Для удешевления конструкции в плотине сделана большая полость. Следовательно конструкция оптимизирована для экономичного и рационального строительства.
Глава V. Гидравлические расчеты пропуска строительных расходов
V.1. Схема пропуска строительных расходов
Строительство ведется на пойме вода идет по реке
В межень происходит перекрытие реки вода проходит по отводящему и подводящему каналам и течет по фундаментной плите плотины.
К пропуску первого строительного паводка возводят верховую перемычку высотой до высоты грунтовой плотины. Вода протекает по фундаментной плите.
После первого строительного паводка пропуск строительных расходов осуществляется методом гребенки.
V.2. Расчет пропуска расхода перекрытия
Задача расчета обеспечить чтобы перепад верхнего и нижнего бьефов был меньше предельного.
Расход при перекрытии русла: Qпер = 1300 м3с
Задаемся перепадом воды (разница отметок) Δz = 1.5 м.
Скорость течения воды при пропуске расхода перекрытия:
При пропуске расхода перекрытия отметка порога должна быть на уровне 118.1 м.
V.3. Гидравлический расчет пропуска первого строительного паводка
Строительный расход Qстр.вес = 5100 м3с
Расход через водослив вычисляется по формуле:
В первом приближении примем H » H0 при φ = 0.88 hп = 6.4 м тогда выражая H0 из формулы расхода водослива имеем:
Окончательно принимаем значение статического напора на водосливе H=8.5 м а значение нап.фр. = пор + Н + 1 = 118.1 + 8.5 + 1 = 127.6 м.
По выданному заданию был запроектирован комплексный гидроузел.
Водосливной фронт состоит из 10 пролетов по 14 метров каждый. Удельный расход на водосливе равен 3543 м3(с·пог.м). Удельный расход на рисберме равен 2818 м3(с·пог.м). Напор на гребне водослива равен 702 м. При этом водослив не подтоплен. Гребень водослива находится на отметке 13298 м. Расчет маневрирования затворами показал что затопление гидравлического прыжка происходит во всех случаях. Устройство водобойного колодца не требуется.
Спроектированная водосливная плотина имеет развитый вертикальный профиль что положительно сказалось на фильтрационной прочности грунта основания и фильтрационном расходе. Полный фильтрационный расход под всем водосливом составил м3с.
Для экономии бетона и соответственно удешевления конструкции в бетонной водосливной плотине устроена большая полость. Водосливная плотина удовлетворяет требованиям СНиПов на устойчивость по схеме плоского сдвига.
Для пропуска судов в гидроузле запроектирован шлюз к которому сделаны подходные каналы. Эти каналы позволяют судам без помех передвигаться во время строительства гидроузла.
Список используемой литературы
Методические указания к выполнению проекта водосбросной бетонной плотины в составе гидроузла на нескальном основании.
Методические указания к оформлению курсовых и дипломных проектов
Гидротехнические сооружения Под ред. Л.Н. Рассказова. ч.1 и 2 М.: Стройиздат. 1996
СНиП 2.06.01-86. Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования. М.: 1989.
Справочник по гидравлическим расчетам под ред. П.Г. Киселева. –М.: Энергия 1974.

ГС1Дэн.dwg

Схема подземного контура к расчату фильтрационного противодавления
Эпюра фильтрационного противодавления
составе средненапорного
Водосбросная плотина в
Кафедра гидротехнических сооружений
геологический разрез
Горизонтальный масштаб M1:5000
Ветрикальный масштаб M1:500
Вид с верхнего бьефа
плотины с водосливной
II-Водосливная плотина