Гидротехнические сооружения.Подпорный гидроузел

Чертеж112123.dwg

обратный фильтр 0.9м
слоя жб плит 2*2*0.2
-битумно-минеральная смесь
- Надшпунтовая балка
- Железобетонные плиты
- Три слоя досок на гидроизоле
- Штрабленный бетон тела плотины
- Асфальтовая мастика
Схема крепления шпунта
к бетонному основанию
Автодорога III класса
План сопряжения грунтовой плотины с водосливной М1:200
Компановка гидроузла М1:5000
Разрез по створу гидроузла Мгор1:15000 М верт1:500
Поперечный разрез по оси водосбора М1:250
Поперечный разрез плотины М1:1000
крепление откоса сборными жб плитами
Грунтовая плотина 2. Водосливная плотина

Чертеж1.dwg

Рис.1 Расчётная схема к фильтрационному расчёту грунтовой плотины М1:1000
R0=Rн+Rв=123 м 2 R=100 м b=0.1R=10 м
Рис.3 Продольный профиль по трассе водосброса М1х250 М 1:2500

Записка.docx

Министерство образования Республики Беларусь
БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Факультет энергетического строительства
Кафедра «Водоснабжение и водоотведение»
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту
по дисциплине «Гидротехнические сооружения»
Тема: «Подпорный гидроузел»
1. Компоновка сооружений гидроузла . 4
2. Плотина из грунтовых материалов .. 5
2.1. Конструирование поперечного профиля и элементов плотины . 7
1.2. Заложение откосов
1.3. Крепление откосов
1.6. Противофильтрационные устройства
3. Водосбросное сооружение 13
3.1. Выбор и обоснование конструкции водосброса 13
1.1.Конструкции быков
1.2. Береговые устои
1.3. Расчет ширины подошвы плотины
1.4. Определение параметров понура
1.6. Определение параметров рисбермы
1.7. Определение глубины предохранительного ковша
1.8. Деформационные швы
3.2. Гидравлические расчеты 17
3.3. Гидротехнические расчёты 23
3.4.Статистические расчёты 26
Гидротехнические сооружения – сооружения предназначенные для использования водных ресурсов а также предотвращения или уменьшения вредных воздействий воды на окружающую среду.
Проект гидротехнических сооружений составляется на основании данных гидротехнических изысканий и водохозяйственных задач которые должны решаться посредствам этих сооружений.
Процесс создания и дальнейшего использования гидротехнических сооружений состоит из четырех основных этапов:
изыскания – получение данных о природных условиях района и места расположения сооружения: о рельефе местности геологическом строении гидрологических условиях водотока или водоема климатических особенностей района;
проектирование – установление на основе данных изысканий и поставленной водохозяйственной задачи будущего водного режима объекта основных типов размеров и материала сооружения составление схем и конструктивных чертежей установление метода строительства необходимого оборудования получение экономических показателей объекта строительства прогноз социальных и экологических последствий строительства;
организация и производство строительных работ по осуществлению сооружения – подготовка территории и оборудования для строительных работ проведение всех требуемых работ демонтаж строительного оборудования и временных устройств и сдача объекта в эксплуатацию;
эксплуатация строящегося и построенного сооружения – управление его работой надзор за соблюдением требований заложенных в проекте и состоянием сооружений и оборудования текущий и капитальный ремонт сооружений.
Таким образом актуальность данной дисциплины обусловлена необходимостью ставить и решать вопросы возникающие при проектировании строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений применяющихся на водохозяйственных объектах.
Целью курсового проекта «Подпорный гидроузел» является составление и расчетное обоснование в соответствии с действующей нормативной литературой проекта подпорного гидроузла состоящего из плотины с ядром и водосливной плотины.
1. Компоновка сооружений гидроузла
Под гидроузлом как правило понимают комплекс гидротехнических сооружений общего и специально назначения. Компоновка гидроузла представляет такое взаимное расположение входящих в него сооружений которое наиболее эффективно обеспечивает решение намеченных задач.
Речные плотинные гидроузлы всегда носят индивидуальный характер: в связи с разнообразием местных условий нет возможности использовать какие-либо типовые проекты.
В состав гидроузла входят земляная плотина однородная и водосливная плотина. Створ плотины выбирается с учетом топографических условий таким образом чтобы плотина имела минимальную длину. Схема гидроузла должна быть как можно более компактной объем и стоимость работ по возведению сооружений а также эксплуатационные расходы должны быть как можно меньшими.
Исходные данные по водохранилищу и плотине:
Вариант (№ планшета) – 7;
Уровни в верхнем бьефем – НПУ 2105; ФПУ 2110; УМО 2000;
Длина разгона волны – 7 км;
Скорость ветра – 27 мс на высоте – 14 м;
Угол направления ветра - 430;
Тип плотины – с ядром;
Категория дороги – 3.
Исходные данные по водосбросу:
Расчётные расходы воды – основной 375м3с поверочный 395 м3с минимальный 30 м3с;
Тип водосброса – водосливная плотина.
Грунты основания – суглинок;
Плотность грунта гсм3
Удельное сцепление кПа
естественной влажности
Угол внутреннего трения грунта
Коэффициент фильтрации смс
2. Плотина из грунтовых материалов
Грунтовые плотины являются самым древним типом искусственных подпорных сооружений. В Египте Индии Перу и других странах простейшие грунтовые плотины строились за несколько тысяч лет до нашей эры. В России в документах XIII в. о грунтовых плотинах упоминается как об обычных распространенных сооружениях. В XIX в. в качестве материала для тела плотин применяли не только мелкозернистые грунты но и предварительно разрыхленный взрывным способом скальный грунт. Высота грунтовых плотин достигала 50 м. Но наибольшего распространения грунтовые плотины получили в XX в.
Плотины возводимые из грунтов как строительного материала называются грунтовыми. Выполняются из песчаных или глинистых грунтов а также крупнообломочных каменных материалов. Плотины из грунтовых материалов являются наиболее распространенным типом водоподпорных сооружений. Они входят в состав большинства подпорных гидроузлов различного назначения а также широко используется в гидромелиоративном строительстве. Являясь самым древним типом подпорных гидротехнических сооружений грунтовые плотины и настоящее время находят самое широкое распространение. Это возможно в силу следующих достоинств:
для возведения плотин могут использоваться практически любые грунты как правило местные;
грунтовые плотины могут строиться практически на любых грунтах основания и в любых климатических условиях;
грунтовые плотины имеют простую конструкцию и надежны в эксплуатации;
все технологические операции по возведению грунтовых плотин могут быть полностью механизированы.
Наряду с достоинствами грунтовые плотины имеют свои недостатки:
ограниченные возможности сброса максимальных расходов через гребень плотины;
наличие в теле плотины фильтрационного потока потенциально создающего условия для фильтрационных деформаций;
возможность больших потерь воды на фильтрацию если тело плотины выполнено из грунтов с повышенной проницаемостью;
трудность кладки насыпи при значительных и продолжительных минусовых температурах;
неравномерность осадок по поперечному профилю плотины;
ограничение в использовании некоторых видов грунтов для тела плотины и оснований.
Существует множество различных классификаций плотин из грунтовых материалов:
- по материалам которые используются для возведения тела плотины (земляные каменно- земляные каменные);
- по способу возведения (насыпные намывные набросные взрывонабросные из сухой кладки);
- по конструкции поперечного профиля (однородные неоднородныне с экраном и понуром с ядром с диафрагмой);
- по высоте (низкие средние высокие сверхвысокие).
При строительстве грунтовых плотин к ним предъявляют следующие требования:
откосы плотины и грунты основания должны быть устойчивы при всех возможных сочетаниях нагрузок и воздействий как в период строительства так и в период эксплуатации;
откосы и гребень плотины должны быть защищены от воздействия волн льда атмосферных осадков;
деформации плотины ее отдельных элементов и грунтов основания во время строительства и эксплуатации не должны нарушать нормальной работы сооружения;
дренажные устройства должны обеспечивать сбор и организованный отвод в нижний бьеф фильтрационных вод и не допускать возникновения фильтрационных деформаций грунтов тела плотины и основания.
2.1. Конструирование поперечного профиля и элементов плотины
Основной задачей проектирования земляных насыпных плотин является выбор устойчивого и экономичного поперечного профиля. Поперечный профиль плотины состоит из гребня и откосов. Основные его размеры (отметка гребня плотины его ширина заложение и очертание откосов плотины) зависит от типа плотины и ее основания а также условий строительства и эксплуатации.
1.1. Гребень плотины
Гребень плотины обычно используется для устройства автомобильной или железной дороги размеры которых назначают руководствуясь требованиями соответствующих нормативных документов. Основные параметры гребня плотины при устройстве на нем автомобильной дороги приведены в таблице 1.1. (для данного варианта курсовой работы):
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.
Отметка гребня плотины назначается на основании расчета необходимого возвышения его над расчетным уровнем воды в верхнем бьефе. Возвышение гребня плотины необходимо определять для двух случаев стояния уровня воды в верхнем бьефе:
а) при нормальном подпорном уровне (НПУ) или при более высоком уровне соответствующем пропуску максимального паводка входящего в основное сочетание нагрузок и воздействий;
б) при форсированном подпорном уровне (ФПУ) при пропуске максимального паводка относимого к особым сочетаниям нагрузок и воздействий.
В данной курсовой работе расчет отметки гребня плотины производится только для НПУ. Возвышение гребня плотины hs для НПУ определяется по формуле:
где - ветровой нагон воды в верхнем бьефе м;
- высота наката на откос волн обеспеченностью 1% м;
a – запас возвышения гребня плотины принимаемый не менее 0.5 м.
Величина ветрового нагона воды определяется по формуле:
где - расчетная скорость ветра на высоте 10 м над поверхностью водоема мс;
L – длина разгона волны м;
d - глубина воды в верхнем бьефе при расчетном уровне м;
- коэффициент определяемый по таблице 2.2;
- угол между продольной осью водоема и направлением ветра град.
Значение коэффициента kw определяем по табл. 2.2:
Глубина воды в верхнем бьефе при расчетном уровне определяемая следующим образом:
Определение высоты ветрового нагона воды по формуле (2.1.) производится методом последовательных приближений.
Расчетная скорость ветра на высоте 10 м над поверхностью водоема определяется по формуле:
где - скорость ветра измеряемая на высоте 14м;
- коэффициент приведения скорости ветра к условиям водной поверхности с характерной протяжённостью до 20км;
- коэффициент пересчета данных по скоростям ветра измеренных по флюгеру
Тогда подставляя все перечисленное в формулу (2.3.) получаем:
Возвращаясь к формуле (2.2.) получаем значение величины ветрового нагона:
в первом приближении :
во втором приближении :
За окончательное значение величины ветрового нагона воды в верхнем бьефе имеем:
- высота наката на откос волн обеспеченностью 1%. Значение этой величины на откос плотины фронтально подходящих волн обеспеченностью 1% определяется по формуле:
где и - коэффициенты шероховатости и проницаемости откоса
принимаемые по таблице 4.4.[1];
Для бетонных (железобетонных) плит:
- коэффициент принимаемый по таблице 4.5.[1] предварительно рассчитав
высоту проектируемой плотины:
где - заложение верхового откоса принимаемое по таблице 4.7[1].:
тогда окончательное значение высоты плотины:
- коэффициент определяемый по графику рис 4.2а.[1]
Высота волны обеспеченностью 1% определяется по зависимости:
где - коэффициент определяемый по графику рис 4.3.[1];
- средняя высота волны определяемая для глубоководной зоны которая чаще всего имеет место в верхнем бьефе земляных плотин по верхней огибающей кривой графика рис. 4.4. в зависимости от безразмерных величин и .
Здесь g = 9.81 мс2;
- скорость ветра на высоте 10 м над поверхностью земли мс;
t – непрерывная продолжительность действия ветра при отсутствии сведений о которой допускается принимать для водохранилищ и озер t = 6 час. Для расчета переводится в секунды. t = 21600 c.
По этим двум значениям находят отношения и из которых выбирают наименьшее и определяют:
- средний период волны с.
Средняя длина волны вычисляется по формуле:
теперь подставив значения всех величин в формулу (2.6.) получим:
По графику 4.3. значение коэффициента:
Высота волны обеспеченностью 1% равна:
Находим отношение и по графику рис.4.2.[1] определяем :
Теперь возвращаясь к формуле (2.4.) получаем высоту наката на откос волн обеспеченностью 1%:
Возвращаясь в исходную формулу (2.1.) возвышение гребня плотины hs:
Таким образом отметка гребня плотины:
тогда окончательно принимаем:
Заложение откосов плотины должно отвечать их статистической устойчивости которая определяется расчетами. Ориентировочные значения заложений откосов земляных плотин определяются по [1 табл. 4.7.] в зависимости от высоты плотины. Т. к. высота плотины рассчитана ранее hпл = 195 м то заложение верхового принимаем m1 = 3 м а низового m2 = 25 м.
Для предохранения откосов от разрушительного воздействия ветровых волн и атмосферных осадков применяют крепление в состав которого входят покрытие воспринимающее силовое воздействие и подготовка укладываемая обычно по типу обратного фильтра.
Крепление верхового откоса делится на основное располагаемое в зоне воздействия волновых и ледовых сил и облегченное располагаемое ниже и выше основного крепления.
Для защиты низового откоса применяется посев трав или дерновое крепление. Для крепления верхового откоса применяют водонепроницаемые покрытия - бетонные или железо – бетонные плиты асфальтобетон и др. В отдельных случаях находит применение биологическое крепление.
На низовом откосе берма устраивается шириной 3 м для проезда машин в случае необходимости т. к. высота плотины 195 м. Бермы на низовом откосе предназначены для гашения кинетической энергии дождевого потока чтобы не допустить размыв низового откоса. Устраивается на отметке +2038. Расстояния между бермами по высоте плотины принимается равным 10 15 м. На верховом откосе согласно рекомендациям берма должна находиться на 2h1% = 328 м ниже УМО.
Дренажами называют устройства предназначенные для отвода воды и имеющие повышенную водопроницаемость по отношению к контактируемому с ним грунту. Дренаж состоит из двух частей: приемной и отводящей. Дренажи в теле плотины устраиваются с целью:
приема и организованного отвода воды фильтрующейся через тело и основание плотины в нижний бьеф;
предотвращения выхода фильтрационного потока на низовой откос и в зону подверженную промерзанию;
экономически обоснованного снижения депрессионной поверхности для повышения устойчивости низового откоса (внутренний дренаж);
повышения устойчивости верхового откоса при быстрой сработке водохранилища а также для снятия порового давления возникающего при сейсмических воздействиях.
Отсутствие дренажей в плотине должно быть всесторонне обосновано.
Местоположение дренажей и их типы устанавливают исходя из условий устойчивости низового откоса. Нормальная работа дренажей обеспечивается если приемная часть их расположена выше уровня воды в нижнем бьефе. Начало дренажа располагают на таком расстоянии от подошвы плотины низового откоса чтобы было обеспечено расстояние от кривой депрессии до плоскости низового откоса более глубины промерзания.
Основными конструкциями дренажей будут:
Он не понижает кривую депрессии а только предохраняет низовой откос в месте выхода фильтрационного потока от возможных фильтрационных деформаций и представляет обратный фильтр уложенный по низовому откосу.
дренажная призма или дренажный банкет
Она нашла широкое применение в грунтовых плотинах благодаря простоте конструкции: работа при любых переменных уровнях воды в нижнем бьефе; дренированию как тела плотины так и части основания; использованию как перемычки при пропуске строительного расхода. Недостаток - относительно большой объем камня. Этот тип дренажа применим в данной курсовой работе (рис. 1.) заложение верхового откоса принимаем m1 = 05 м а низового m1’ = 15м.
плоский горизонтальный дренаж
Применяют при отсутствии воды в нижнем бьефе. Достоинство – простота выполнения механизация укладки дренажного материала а также хорошее дренирование.
дренажная призма в сочетании с ленточным дренажем
трубчатый горизонтальный дренаж
В грунтовых плотинах тело которых выполнено из сильноводопроницаемых грунтов применяют противофильтрационные устройства. Их назначение:
уменьшить фильтрационный расход через сооружение;
заглубить депрессионную кривую для повышения устойчивости низового откоса и предотвращения пучения грунта при промерзании;
уменьшить градиент фильтрационного потока и предотвратить фильтрационные деформации грунта тела плотины.
Основные противофильтрационные устройства в теле плотины выполняются из грунтовых материалов (ядра экраны понуры) и негрунтовых (экраны диафрагмы завесы).
Выбор типа противофильтрационного устройства зависит от параметров плотины физико- механических характеристик грунтов тела плотины и основания наличия необходимых материалов в районе строительства условий и методов производства работ и др. Для их создания применяют суглинки глины глинобетон торф находят применение и битумные составы асфальтобетон бетон и полимерные пленки.
В земляных плотинах противофильтрационные устройства чаще всего выполняются из маловодопроницаемых грунтов в виде центрального ядра или экрана а при глубоком залегании в основании водоупора – экрана с понуром представленный на рис.1.
В данной курсовой работе противофильтрационным устройством является ядро возведённые из местного грунта - суглинка. Согласно рекомендациям толщина ядра по верху назначается из условия производства работ и должна быть не менее 08 м (при использовании современный средств механизации обычно не менее 3 м). К низу толщина экрана увеличивается. Толщина ядра понизу назначается таким образом чтобы градиенты фильтрационного потока были меньше их критических значений.
Принимаем толщину ядра по верху 3 м по низу - 5 м.
3. Водосбросное сооружение
Водосбросными сооружениями называются гидротехнические сооружения предназначенные для пропуска воды из верхнего в нижний бьеф через специальные отверстия водосливы каналы трубопроводы туннели и другие сооружения использующие для этой цели в пределах относительно короткого участка искусственного или естественного русла действующий напор.
Плановая и высотная компоновка конструкции и состав водопропускных сооружений гидроузла определяются их расчетными расходами действующими напорами рельефом и геологическим строением створа а также требованиями условий строительства и эксплуатации.
Водопропускные сооружения речных напорных гидроузлов классифицируются по ряду основных признаков:
по назначению: водосброс водовыпуск и водоспуск;
по расположению относительно русла реки: русловые береговые пойменные;
по конструктивным особенностям поперечного сечения: открытые закрытые и др.
Водосброс устраивают для пропуска (сброса) воды.
Тип водосброса данной курсовой работы: водосливная плотина.
3.1.Выбор и обоснование конструкции водосброса
Рациональная схема плотины должна удовлетворять требованию ее минимальной стоимости одновременно обеспечивая:
устойчивость плотины на сдвиг;
прочность грунта основания;
минимальные значения фильтрационного давления на подошву плотины;
отсутствие фильтрационных деформаций грунта основания;
гашение избыточной кинетической энергии потока в нижнем бьефе.
Выбор схемы плотины производится на основании технико-экономического сравнения вариантов. В конструктивном отношении профиль плотины условно можно разделить на две части: верхнюю (водослив быки мосты и т.д.) и нижнюю (зубья понур шпунтовые ряды).
1.1. Конструкции быков
Быки (бычки) – это элементы водосливных плотин разделяющие общий водосливной фронт на отдельные отверстия. Они выполняют следующие основные функции:
воспринимают давление воды передаваемое на них затворами;
поддерживают затворы опущенные на гребень водослива (при закрытии водосливного отверстия) и в поднятом состоянии (при частичном или полном открытии отверстия);
на них размещают стационарные подъемные механизмы для маневрирования затворами;
служат опорами затворов и мостов (служебных и транзитных);
сопротивляются главным растягивающим напряжениям которые появляются в них от действия на сооружение нагрузок в направлении вдоль потока.
Форма и толщина быков зависят от ряда факторов:
технологических требований размещения пазов затворов подкрановых путей мостов;
расположения из выходов из галерей тела плотины и др.
По конструктивному признаку быки подразделяются на разрезные и неразрезные. Минимальная толщина неразрезного быка 2-2.5 м. Обычно они выполняются с конструктивной арматурой и использованием плит – оболочек в качестве опалубки.
В быках устраиваются пазы для размещения в них опорно-ходовых частей ремонтных и рабочих затворов расстояние между которыми должно быть не менее 1.5 м чтобы обеспечить удобную работу персоналу во время ремонта затвора непосредственно в водосливном пролете. Пазы для ремонтных затворов устраиваются со стороны верхнего бьефа. Размеры пазов в плане определяются конструкцией и размерами опорно-ходовых частей затворов.
Отметку гребня (верха) быков назначают с учетом отметок гребней грунтовой и водосливной плотин.
Длина быка назначается из условия размещения ремонтных и рабочих затворов и необходимого расстояния между ними служебного моста механизмов подъема затворов и транспортного моста. Ширина проезжей части моста определяется его габаритом и шириной тротуаров которые назначаются по таблице 2.4. С учетом всех допущений и исходя из конструктивных особенностей принимаем:
Сопряжение водосливной плотины с земляной плотиной или с берегом осуществляется с помощью береговых устоев. Они предназначены:
для защиты земляной плотины или берега от действия воды сливающейся через водосброс;
направления воды в отверстия плотины и обеспечения плавного бессбойного растекания в нижнем бьефе;
для предотвращения опасного воздействия фильтрационного потока в зоне примыкания водослива к берег или плотине.
Береговой устой состоит из трех основных элементов:
вертикальной продольной стенки;
верхового сопрягающего открылка;
низового сопрягающего открылка.
1.3. Расчет ширины подошвы
Для надежного сопряжения тела плотины с грунтом основания и предотвращения опасной контактной фильтрации подошва плотины выполняется с верховым и низовым зубом (рис. 3.). Глубина зубьев принимается до 2-3 м но может быть и больше. Ширина зубьев понизу назначается из условий производства работ обычно не менее 3 м. Подошву фундаментной плиты выполняют горизонтальной. Предварительная ширина подошвы плотины следующая:
где Н – разность отметок НПУ и минимального уровня воды в нижнем бьефе.
По формуле (3.1.) ширина подошвы:
Одним из основных элементов подземного контура плотин на нескальном основании является понур. Понур представляет собой водонепроницаемое или малопроницаемое покрытие дна верхнего бьефа которое предназначено для увеличения длины подземного контура плотины и следовательно уменьшения фильтрационного расхода под сооружением фильтрационного давления на подошву плотины и градиента фильтрационного потока.
По конструкции понуры подразделяются на гибкие и жесткие. Выбор типа понура зависит от грунтов основания. Т. к. по заданию курсового проекта основание – песок мелкозернистый то устраивается маловодопроницаемый гибкий понур
Длина понура устанавливается в соответствии с расчетом фильтрационной прочности грунта основания и устойчивости плотины. Предварительно длина понура назначается равной:
где Z – разность отметок НПУ и минимального уровня воды в нижнем бьефе.
Глиняные понуры устраивается из жирной и пластичной глины с коэффициентом фильтрации укладываемой слоями толщиной 10÷25см с последующим уплотнением катками. Толщина понура в начальном сечении – 06м в месте примыкания понура к телу плотины – 3 м.Сверху глиняный понур покрывается защитным слоем песка толщиной не менее 1 м который предохраняется от размыва креплением в виде бетонных плит.
Шпунт – вертикальная противофильтрационная преграда которая является гасителем напора фильтрационного потока и следовательно гашения его напора. Кроме того шпунты препятствуют развитию внутренней суффозии в основании плотины выпору грунта из-под плотины и защищают основание плотины от подмыва его поверхностным потоком. Шпунт располагается со стороны напорной грани плотины в ее верховом зубе.
Вслед за водобоем идет менее массивная часть крепления – рисберма. Назначение рисбермы – защитить дно от размыва на участке завершения гашения избыточной энергии потока. На рисберме гасится 20-30 % энергии водного потока сбрасываемого в нижний бьеф через сооружение. Рисбермы могут быть горизонтальными и наклонными.
Конструкция рисбермы должна быть гибкой приспосабливающейся к возможным деформациям русла без нарушения ее прочности и проницаемой для выходящего в нижний бьеф фильтрационного потока. Рисберму выполняют в виде крепления постепенно облегчающегося по течению (у водобоя располагают более мощное в конце – более легкое). Обычно крепление устраивают из бетонных и железобетонных плит каменной наброски и кладки. Для выхода фильтрационного потока в бетонных плитах устраивают дренажные колодцы (от 025*025 до 1*1) на расстоянии 5-10 м один от другого.
Общую длину крепления (водобой плюс рисберма) можно определить по зависимости Д.М. Кумина:
Тогда длина крепления равна:
Зная общую длину креплений и длину водобоя длину рисбермы определяют как:
где – длина водобойного колодца рассчитанная в п.6.3.
Концевой участок рисбермы заглубляют с уклоном 1: 4 - 1: 5 в результате чего образуется ковш предназначенный для защиты рисбермы от подмыва может быть рассчитана по формуле:
где - глубина воды в нижнем бьефе соответствующая пропуску расчетного паводкового расхода;
- удельный расход на рисберме;
- расчетный паводковый расход;
= 11 – коэффициент неравномерности распределения удельного расхода на рисберме;
Кр = 11 – коэффициент зависящий от условий схода потока с рисбермы определяется по таблице 3.4..
– допускаемая неразмывающая скорость при глубине потока h = 1 м которая для несвязных грунтов [таблица 3.5 3].
Возвращаясь к формуле (3.5.) определяем глубину предохранительного ковша:
Во избежание появления трещин вследствие температурных деформаций или при неравномерной осадке плотину разрезают на отдельные монолитные секции постоянными деформационными швами. По назначению подразделяются на:
температурные – предотвращающие появление трещин при колебании температуры окружающей среды и при охлаждении бетона;
усадочные – не допускающие возникновения трещин от усадки;
осадочные – исключающие образование трещин от неравномерных осадок вызванных различным весом секций (их размерами) различия свойств основания или резкими изменениями в очертании.
Обычно три вида швов совмещают в один называемый конструктивным. Швы делят плотину по длине на секции. Длина одной секции 7-20 м.
3.2.Гидравлические расчеты
Гидравлические расчеты водосбросных плотин выполняются с целью решения следующих основных задач:
определение ширины водосливного фронта отметки гребня водослива и профиля водосливной поверхности;
назначение очертания быков конструкций и очертаний береговых открылков отметок понура и конструкций крепления дна в верхнем бьефе;
выбор оптимального режима сопряжения бьефов и назначение отметок поверхности водобоя и рисбермы типов и размеров гасителей энергии участков крепления дна берегов длины и очертания в плане береговых устоев.
3.2.1. Определение размеров водосливных отверстий
Гидравлический расчет водосливной плотины состоит в определении размеров (ширины и высоты) водосливных отверстий их количества и проверки пропускной способности принятых отверстий по формуле:
где - коэффициент подтопления водослива;
- коэффициент бокового сжатия;
m - коэффициент расхода водослива;
H0 – напор на водосливе с учетом скорости подхода;
g – ускорение свободного падения;
В – ширина водосливного фронта.
В первом приближении принимаем:
для безвакуумного водослива практического профиля ;
Далее из формулы (3.2.1.) выражают значение ширины водосливного отверстия и определяют предварительную величину В:
тогда подставляя значения указанные ранее получаем:
По найденной величине В в соответствии со стандартными размерами отверстий [таблица 4.3.1] и учитывая что по условиям эксплуатации количество водосливных отверстий следует принимать не менее трех назначают ширину водосливных отверстий b и их количество n. Ширину водосливного отверстия определяют в соответствии с условием:
Тогда в соответствии с таблицей 4.3. принимаем b = 55 м n = 3 и окончательное значение В = 165 м.
Бычок принимаем разрезным его толщина определяется по формуле:
где - толщина суженного пазами перешейка быка; d0 = 08
- глубина паза рабочих затворов;
- ширина паза рабочих затворов.
Теперь подставляя значение b = 55 м получаем: м; м тогда толщина бычка будет равна: м.
Зная ширину отверстий и бычков определяем величину Вбр:
Теперь зная величину Вбр определяем скорость подхода по формуле:
где тогда Р = 2105 – 191 = 195 м. Окончательно скорость подхода равна:
Напор с учетом скорости подхода определяется по зависимости:
где - коэффициент Кориолиса равный 1;
- скорость подхода определенная ранее.
Подставляя в формулу (3.2.6.) значение скорости подхода определяем величину напора:
Коэффициент бокового сжатия определяем по формуле А.Р. Березинского:
где p – высота водослива равная:
при плавном очертании быков и устоев;
b – ширина водосливного отверстия;
Формула (2.1.7.) справедлива при и при следует принимать а при - принимать .
Проверим отношения и :
и тогда формула А.Р. Березинского примет вид:
Коэффициент расхода для безвакуумного водослива практического профиля построенного по координатам Кригера – Офицерова определяется по формуле:
где с – расстояние от начала криволинейного участка головка до начала водосливной поверхности. Если на гребне отсутствует горизонтальный участок устраиваемый для лучшего размещения затворов то с = 03 Н. Теперь по формуле (3.2.8.) можно уточнить значение коэффициента расхода: m = 04975.
Таким образом зная все параметры возвращаемся к формуле (3.2.1.) и проверяем пропускную способность выбранных нами водосливных отверстий:
Полученный расход сравним с исходным (основным) т.е. (15095 > 150).
На основании рассчитанного напора и координат таблицы 4.1. строят профиль безвакуумного водослива практического профиля для этого координаты х и у умножают на величину профилирующего напора. Нижнюю часть профиля водослива сопрягают с нижним бьефов кривой радиуса R принимаемым по таблице 4.2. По таблице сопрягающий радиус R = 11.2 м. Верхняя и нижняя части профиля соединяются прямолинейной вставкой являющейся касательной к обеим кривым. Координаты для построения водосливной плотины представлены в таблице:
3.2.2. Расчет сопряжения бьефов
После возведения гидроузла нарушаются естественные условия прохождения паводков: они пропускаются через водопропускные сооружения суммарная ширина которых обычно меньше ширины потока в русле реки со скоростями значительно большими чем скорость течения воды в естественных условиях. Так возникает большое количество вопросов для решения которых разрабатываются целые комплексы для создания благоприятных гидравлических условий на участках сопряжения бьефов и перехода потока в естественное состояние.
Рассеивание («гашение») энергии в основном происходит за счет турбулизации потока при образовании вихрей соударении струй при динамическом воздействии на препятствия и перемещения частиц грунта русла реки при процессах эрозии (размыва). Значительные потери энергии сбросного потока происходят в водоворотных зонах и в частности в гидравлическом прыжке который является эффективным и мощным гасителем кинетической энергии при этом часть энергии расходуется на колебания крепления основания и на образование волн.
Условия работы крепления нижнего бьефа предназначенного для защиты русла реки от размыва сбросным потоком на участке гашения его избыточной кинетической энергии зависят от режима сопряжения потока с водной массой в нижнем бьефе. Различают следующие основные гидравлические режимы сопряжения:
Характеризуется образованием донного гидравлического прыжка с движением транзитной струи дна и наличием поверхностного вальца.
Возникает при сходе сбросного потока с уступа и движении его по поверхности с образованием основного донного вальца а в некоторых случаях и второстепенных поверхностных вальцов.
режим отброшенной струи;
Отличается движением сбросного потока в воздухе и образованием поверхностных вальцов.
Расчет сопряжения бьефов выполняется для определения необходимости в устройстве гасителей энергии воды в нижнем бьефе и установления их параметров. Выполним расчет и определим необходимость проектирования гасителя энергии.
Глубина воды в сжатом сечении hc определяется подбором из уравнения:
где - коэффициент скорости для водослива практического профиля ;
- ширина потока в сжатом сечении;
р – высота водослива р = 114 м.
Из формулы (3.2.9.) выражаем hc и подставляя все значения получаем:
- для первого приближения (hc = 0):
- для второго приближения (hc = 05072 м):
- для третьего приближения (hc = 05164 м):
Сжатая глубина принимается равной первой сопряженной и определяется вторая сопряженная глубина:
где hкр – критическая глубина определяемая по формуле:
Определим величин критической глубины:
возвращаясь к (7.11.) получаем:
Глубина воды в нижнем бьефе при пропуске расчетного паводкового расхода равна:
где - отметка нижнего бьефа определяемая по графику зависимости
Сравнивая значения второй сопряженной глубины и глубины в нижнем бьефе можно сделать вывод: гидравлический прыжок будет отогнанный то его необходимо искусственно затопить при помощи гасителей кинетической энергии потока. Наиболее распространенными гасителями кинетической энергии являются водобойный колодец и водобойная стенка. Расчет водобойного колодца представлен ниже.
3.2.3. Расчет водобойного колодца
В обычных условиях отгон прыжка вызывает опасения размывов. Для устранения отгона прыжка и уменьшения размыва устраивают гасители энергии в виде водобойных колодцев и водобойных стенок.
Водобойный колодец – яма или приямок куда падает поток воды. Водобойный колодец спроектирован и построен правильно только в том случае когда гидравлический прыжок полностью размещается внутри колодца и из него поток выходит с глубиной равной бытовой. При недостаточной глубине и длине колодца бурный поток вылетает из него в отводящий канал в результате чего нижний бьеф подвергается интенсивному разрушению. В этом случае колодец не отвечает своему назначению.
Расчет водобойного колодца заключается в определении необходимой его глубины и длины. Глубина водобойного колодца определяется как:
где - перепад образующийся при выходе потока из водобойного колодца в русло нижнего бьефа. На практике этой величиной пренебрегают выполняя расчет с «запасом».
Используя значения величин рассчитанные ранее и подставляя их в формулу (6.13.) получим:
Длина водобойного колодца когда струя входит в колодец не отрываясь от сливной грани определяется по формуле:
тогда длина колодца равна:
Для лучшего гашения избыточной кинетической энергии потока ширина водобоя по течению увеличивается. Угол отклонения береговых устоев от оси водобоя составляет 12о.
3.3. Гидротехнические расчеты
3.3.1. Расчет фильтрации в основании бетонной плотины
Водоподпорные сооружения (плотины здания ГЭС шлюзы и т.д.) испытывают не только разницу давлений воды со стороны верхнего и нижнего бьефов (напор) но и давление воды движущейся под действием этого напора по порам грунта основания и тела грунтовой плотины. В этом случае различают две силы: взвешивания и фильтрационную.
Основными задачи фильтрационного расчета являются:
- определение фильтрационного давления на подошву плотины;
- проверка фильтрационной прочности грунта основания;
- определение фильтрационного расхода.
Фильтрационные расчеты подземного контура плотин на нескальном основании выполняется по методу коэффициентов сопротивлений Р.Р.Чугаева. Расчет выполняется в следующем порядке:
предварительно запроектированный подземный контур приводится к расчетному: наклонные участки заменяются горизонтальными и вертикальными исключаются детали не влияющие на результаты расчетов;
определяется положение расчетного водоупора Трасч. Для этого определяется отношение где - длина проекции подземного контура на горизонталь (рис.4) - длина проекции подземного контура на вертикаль (рис.4.)
Исходя из этого отношения по таблице 3.17.[3.] определяется активная зона фильтрации:
Затем Такт сравнивают с действительным заглублением водоупора Тд (т к водоупор отсутствует то ).
определяют значения коэффициентов сопротивления для каждого элемента расчетного подземного контура.
Предварительно по рис.4. определяют дополнительные данные необходимые для расчета и сводят в таблицу:
Плоский вход и уступ.
Горизонтальный участок №1.
Горизонтальный участок №2.
Горизонтальный участок №3.
т.к. 465 то коэф. сопротивления примем равным нулю
Уступ и плоский выход.
Сумма коэффициентов сопротивления всех участков контура
Потери напора на каждом участке контура определяется по зависимости:
а каждая следующая ордината эпюры фильтрационного давления определяется путем вычитания из предыдущей ординаты потерь напора на рассматриваемом участке.
Фильтрационная прочность грунта основания плотины будет обеспеченна при выполнении условия .
Допустимый градиент для мелкозернистого песка основания [таблица 3.18 3]: .
3.3.2. Дренажные устройства
Противофильтрационные мероприятия в теле плотины предназначены для снижения фильтрационного давления и для уменьшения опасности выщелачивания бетона. Для этого применяются следующие мероприятия:
вертикальный дренаж у верховой грани;
укладка по верховой грани слоя бетона повышенной водонепроницаемости;
покрытие верховой грани слоем асфальта пластмассы либо металлом.
Дренаж представляет собой систему вертикальных дрен или дренажных шахт. Диаметр дрен 15-30 см расстояние между их осями 2-3 м. Диаметр дренажных шахт от 70-80 до 180 см расстояние между ними 4-6 м и более; дренажные шахты хуже дренируют плотину. Вода из дрен отводится по продольным галереям а затем по поперечным галереям в нижний бьеф.
3.3.3. Смотровые галереи
Смотровые галереи в теле плотины устраиваются с целью:
осмотра состояния внутренних частей бетонной плотины;
наблюдения за ходом фильтрации и появлением трещин;
цементации трещин в бетонной кладке и строительных швов;
сбора и отвода в нижний бьеф профильтровавшейся воды;
размещения контрольно-измерительной аппаратуры и прокладки различных коммуникаций.
Галереи бывают продольные (вдоль тела плотины) и поперечные (для отвода воды в нижний бьеф или как выход из продольной). По высоте плотины располагают через 15-20м.
Минимальные внутренние размеры галереи из условия прохода по ней принимаются: ширина 1.2 м высота – 2 м. Размеры галерей используемых для цементации швов и трещин определяются размерами бурового и цементационного оборудования и должны быть шириной не менее 2.5 м и высотой 35-4 м.
3.4. Статистические расчеты
3.4.1. Расчеты прочности и устойчивости бетонных плотин
Поперечный профиль плотины и ее основные размеры назначенные с учетом реальных условий работы сооружений подлежат проверке на разных стадиях ее работы. Расчеты прочности и устойчивости бетонных плотин выполняется по первому предельному состоянию для трех расчетных случаев:
случай эксплуатации полностью возведенного сооружения когда плотина может подвергнуться воздействию всех возможных основных и особых сочетаний нагрузок при наиболее неблагоприятном их комплексе;
строительный случай когда плотина выстроена но нагрузки от воды не имеет; плотина рассчитывается на сочетание нагрузок от собственного веса плотины и устройств на ней сейсмических и температурных воздействий;
ремонтный случай когда на части плотины ведутся ремонтные работы.
На миллиметровой бумаге в масштабе 1: 400 вычерчиваются поперечное сечение плотины (рис.5.) и все действующие на нее силы и нагрузки.
3.4.2. Определение сил и нагрузок действующих на плотину
В расчетах прочности и устойчивости гидротехнических сооружений рассматриваются два сочетания нагрузок: основное (состоящее из постоянных длительных и кратковременных нагрузок) и особое (образующееся из основного сочетания и одной и особых нагрузок).
В основное сочетание нагрузок на которое выполняются расчеты в курсовом проекте входят:
oсобственный вес плотины (с затворами подъемными механизмами мотами и т.д.);
Находится путем разбивки поперечного профиля плотины на ряд правильных геометрических фигур определения их объемов и умножения на удельный вес бетона кНм3. Аналогично определяют вес пригрузки воды в ВБ и НБ; удельный вес воды кНм3.
Собственный вес затворов приближенно может быть определен по эмпирической формуле А.Л. Березинского для плоского металлического затвора:
где F – площадь водосливного отверстия перекрываемого затвора
oгидростатическое давление воды;
Определяется методами гидравлики. Эпюра гидростатического давления воды для нескальных оснований строится до подошвы плотины.
oфильтрационное давление;
Эпюра фильтрационного давления строится по ординат рассчитанным в п.8.1.
oвзвешивающее давление;
oволновое давление воды;
Приближено эпюра волнового давления может быть построена как на рис. 5.
oактивное давление грунта.
Активное давление грунта (горизонтальная составляющая):
где - удельный вес грунта [приложение 1; 1];
- угол внутреннего трения грунта.
3.4.3. Определение контактных напряжений в основании плотины
Определение контактных напряжений производится для оценки несущей способности грунта основания. Все расчеты сводятся в таблицу 4.1.
Определение нормальных напряжений в основании плотины
Момент относительно т. О кН·м
Собственный вес плотины
Сила взвешивающего давления
((22·52)+(05·(72+4)·2)· ·2)·7·10
Сила фильтрационного давления
Сила гидр. давления со стороны ВБ
Сила активного давления грунта
·1487·62·tg2(45-28)· ·7
Сила волнового давления
Сила гидр. давления со стороны НБ
По значениям таблицы рассчитывают нормальные напряжения (максимальное минимальное) в основании плотины определяют по формуле:
где N - равнодействующая всех вертикальных сил N = P - WП
- площадь подошвы секции плотины;
b – ширина секции подошвы плотины;
М – суммарный момент всех сил относительно точки О;
- момент сопротивления подошвы секции плотины.
Вычисленные по формуле (4.3.) нормальные напряжения должны удовлетворять дм условиям:
в грунте основания плотины не должно быть растягивающих напряжений:
должно удовлетворять первому предельному состоянию:
где - коэффициент сочетания нагрузок ;
- коэффициент условий работы;
- коэффициент надежности [таблица 3.9.1]
- расчетное сопротивление грунтов основания плотины [таблица 4.5.1]
Коэффициент неравномерности:
где - допустимые значения коэффициента неравномерности нагрузок для песчаных оснований.
3.4.4. Расчет устойчивости плотины на сдвиг
Расчет устойчивости плотины на сдвиг на нескальном основании может производиться по схеме плоского смешанного и глубинного сдвига. Для оснований сложенных песчаными крупнообломочными твердыми и полутвердыми глинистыми грунтами расчет по схеме плоского сдвига который используется чаще всего может производиться при выполнении следующего условия:
где - максимальное нормальное напряжение в основании плотины;
- удельный вес грунта во взвешенном состоянии;
Б – безразмерный критерий принимаемый равным 3 [1].
В соответствии с первым предельным состоянием плотина будет устойчива на сдвиг при выполнении условия:
где - коэффициент сочетания нагрузок;
- коэффициент надежности [таблица 3.9. 1];
- коэффициент условий работы для нескальных оснований [1];
R – расчетное значение силы предельного сопротивления при сдвиге которое вычисляется по формуле:
где F - площадь подошвы секции;
и с – расчетные значения характеристик грунтов по поверхности сдвига
Р – сумма вертикальных сил.
Тогда окончательно возвращаясь к (9.8.) получим:
П.М. Богославчик Г.Г. Круглов «Подпорный гидроузел» Минск УП «Технопринт» 2001.
Л.Н. Рассказов В.Г. Орехов Ю.П. Правдивец Г.А. Воробьев В.В. Малахов А.И. Глазов Москва «Стройиздат» 1996.
П.М. Богославчик Г.Г. Круглов «Проектирование и расчёты гидротехнических сооружений» Минск 2003.
П.М. Богославчик Г.Г. Круглов «Подпорный гидроузел» Минск УП «Технопринт» 2003.