Гидроузел с грунтовой плотиной

Danilov.dwg

Кафедра гидротехнических сооружений
Курсовой проект по курсу "Речные гидротехнические сооружения
Гидроузел с грунтовой плотиной
Продольный разрез по оси туннельного водосброса
- водосбросной туннель
d = 5 м; 2 - плоский ремонтный затвор; 3 - плоский рабочий затвор; 4 - гидроподъёмники; 5 - мостовой кран; 6 - затворное помещение; 7 - устой; 8 - разделительный бычок; 9 - водобойный колодец; 10 - гасители.
туннельного водосброса
- каменная наброска; 2 - грунтовое ядро из суглинка; 3 - переходная зона; 4 - каменное крепление верхового откоса; 5 - жб плита
t = 0.5 м; 6 - дорожное покрытие; 7 - тротуар; 8 - ограждение.
Водосбросной туннель d = 5 м
Цементационная галерея
Галечник с заполнением пор суглинком
Разрез по створу грунтовой плотины
Ветрикальный масштаб M1:500
Горизонтальный масштаб M1:1000

Данилов.doc

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра Гидротехнических Сооружений
«Гидроузел с грунтовой плотиной»
Руководитель проекта:
1Выбор конструкции грунтовой плотины.3
2Определение отметки гребня плотины. Расчёт крепления верхового откоса.4
2.1Определение отметки гребня плотины.4
2.2Расчет крепления верхового откоса.6
3Проектирование характеристик грунтов тела плотины.7
3.1Расчет физико-химических свойств горной массы.7
3.2Расчет физико-механических свойств суглинка.9
4Расчёт фильтрации.11
5Подбор зернового состава переходных зон.12
6Расчёт устойчивости откосов.15
6.1Расчет устойчивости откосов на ЭВМ.15
6.2Расчет устойчивости откосов ручным счетом.15
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ВОДОСБРОСОВ.16
1Расчёт эксплуатационного водосброса.16
1.1Определение размеров водосброса.16
1.2Расчёт сопряжения водосброса с нижним бьефом.18
2Расчет пропуска строительных расходов.19
2.1Пропуск максимального строительного расхода.19
2.2Пропуск расхода перекрытия.20
3Расчет водовыпуска.23
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.28
1Выбор конструкции грунтовой плотины.
На скальном основании каким является известняк возможно возведение каменно-земляной и каменной плотин. По данным о грунтах добываемых в ближайших карьерах (суглинок горная масса) можно сделать вывод о возможности возведения каменно - земляной плотины с упорными призмами из горной массы. Кроме того необходимо выбрать тип противофильтрационного элемента в теле плотины: экран или ядро. В данном случае выбираем центральное ядро из суглинка. Ширина ядра поверху принимается равной 3.0м понизу – (0.30.5)Нпл.
При проектировании необходимо рассчитать устройство дренажей в грунтовой плотине. В данном случае выбираем комбинированный дренаж. Его расчет сводится к расчету переходных зон (обратных фильтров) защищающих ядро. Расчет будет произведен ниже.
В теле ядра устраивается цементационная патерна из которой производится устройство цементационной завесы или шпунта. Размеры цементационной паттерны принимаются соотносимо размерам плотины.
Выбор профиля плотины сводится к выбору заложений откосов. В соответствии с рекомендациями учебника примем для горной массы заложения обоих откосов m=15 . Верховой откос будет укреплен. В качестве крепления используется каменное крепление заканчивающееся бермой которая необходима для того чтобы крепление «не съехало» вниз по откосу. Границы крепления и его толщина будут определены в последующих расчетах. Низовой откос не крепится устройство берм необходимо для устойчивости. Ширина берм поверху составляет высота Устойчивость низового откоса проверим на ЭВМ и ручным способом.
В верхнем бьефе к телу плотины будет примыкать строительная водонепроницаемая перемычка возводимая в строительный период. Перемычка будет неразборной и в дальнейшем будет играть роль верховой перемычки. Эта перемычка возводится на отметке 13Нпл заложение откоса примем равной заложению верхового откоса плотины то есть 1.5.
В нижнем бьефе к телу плотины примкнет низовая перемычка. Высота низовой перемычки ограничивается .
Необходимо также произвести расчет строительных и эксплуатационных водосбросов. Строительные водосбросы необходимы для пропуска строительных расходов. Эксплуатационные – для пропуска расходов в период эксплуатации сооружения. По возможности в целях уменьшения объема строительных работ и экономии средств строительные водосбросы будем использовать в качестве эксплуатационных. Для пропуска расхода полезного попуска необходимо рассчитать водовыпуски. Их должно быть не менее 2-х один их которых является аварийным. Расчет произведен ниже.
2 Определение отметки гребня плотины. Расчёт крепления верхового откоса.
Отметку гребня плотины а затем и расчет крепления верхового откоса будем рассчитывать используя следующие исходные данные:
L = 110 = 11000 - расчётная длина разгона волны
Vw = 160 - расчётная скорость ветра
продолжительность расчётного шторма
класс капитальности сооружения – I
Н = НПУ - Дна = 1716.0 – 1683.0 = 33.0 - глубина водоёма.
2.1Определение отметки гребня плотины.
Гр.пл. = УВБ + hн + h + a где
Гр.пл. - отметка гребня
УВБ расчётный уровень верхнего бьефа (НПУ)
Для определения параметров волн будем использовать СНиП 2.06.04-82* (далее - просто “СНиП”). Для этого необходимо вычислить следующие соотношения:
После этого по графикам на странице 36 СНиПа определяем соотношения:
из этих двух пар соотношений выбираем меньшую и находим искомые:
- средние высота и период волны.
Теперь определим высоту волны расчётной для I класса обеспеченности при этом коэффициент определяем по графику на рис. 2 стр. 37 СНиП:
высота волны расчётной обеспеченности
коэффициент зависящий от класса капитальности сооружения
Определяем величину наката волны:
- коэффициент определяющий высоту наката в долях от высоты наката регулярной волны на гладкую поверхность
- коэффициенты учитывающие соответственно влияние относительной шероховатости водопроницаемости покрытия откоса и заложения откоса. В соответствии с рекомендациями учебника и поправками из конспекта лекций принимаем:
Определим величину нагона воды:
Гр.пл. = 1716.0 + 2.0 + 0.015 + 0973 = 17190
2.2Расчет крепления верхового откоса.
Принимаем каменное крепление верхового откоса. Определим вес камня устойчивого на откосе под действием волн:
вес камня устойчивого на откосе
коэффициент учитывающий тип крепления откоса
заложение верхового откоса
- средняя длина волны
диаметр камня приведённого к шару
Камни такого размера в составе горной массы присутствуют что видно по кривой её гранулометрического состава следовательно окончательно принимаем крепление откоса каменным.
Определим толщину крепления из условия:
Примем толщину крепления .
3 Проектирование характеристик грунтов тела плотины.
При проектировании грунтовых плотин основное внимание уделяют рациональному размещению того или иного грунта в конструкции для наиболее эффективного использования его свойства и получения возможности регулировать свойства грунтов предназначенных к укладке в тело плотины. В грунтовых плотинах свойства грунта можно регулировать изменяя гранулометрический состав влажность и метод укладки.
В нашем случае необходимо определить физико-механические свойства грунтов используемых для возведения плотины то есть свойства горной массы и суглинка. Исходными данными являются:
- удельный вес частиц горной массы
удельный вес частиц суглинка
3.1Расчет физико-химических свойств горной массы.
)Определим удельный вес грунта в предельно рыхлом состоянии:
эмпирический коэффициент
процент (доля) содержания достоверно определённых фракций в гранулометрическом составе грунта
коэффициент характеризующий гранулометрический состав грунта
максимальная достоверно определённая крупность частиц
минимальная достоверно определённая крупность частиц
величина i-того аппроксимированного промежутка в долях или процентах
- крупности частиц на границах аппроксимированного промежутка.
) По с помощью графика в учебнике определяем
) Определим коэффициенты пористости:
- максимальный коэффициент пористости грунта
минимальный коэффициент пористости грунта
- коэффициент пористости грунта.
коэффициент относительной плотности (для умеренного и теплого климата принимают равным или большим 0.9).
) Определим удельный вес грунта который нужно достичь при укладке:
) Определим удельный вес грунта в предельно насыщенном водой состоянии:
коэффициент пористости
) Определим коэффициент фильтрации для горной массы:
коэффициент фильтрации грунта
коэффициент формы частиц грунта
для щебнистых и крупнообломочных грунтов
- диаметр частиц грунта при обеспеченности Р=60%
- диаметр частиц грунта при обеспеченности Р=10%
- диаметр частиц грунта при обеспеченности Р=17%
кинематическая вязкость воды
) формула Рассказова для определения здесь
эмпирические параметры
коэффициент относительной плотности.
3.2Расчет физико-механических свойств суглинка.
В теле плотины глинистый грунт чаще всего используют для создания противофильтрационных устройств в виде например ядра. Глинистый грунт в тело плотины стремятся укладывать при оптимальной влажности. Под оптимальной понимают влажность при которой при выбранном методе уплотнения достигается максимальная плотность.
) Определим оптимальную влажность:
влажность на пределе раскатывания.
)Определим удельный вес суглинка который необходимо достичь при укладке:
- удельный вес суглинка
объём защемлённого в порах грунта воздуха
)Определим коэффициент пористости:
) В зависимости от коэффициента пористости по таблице на странице 144 учебника нужно выбрать параметры и - угол внутреннего трения и удельное сцепление
) Определим коэффициент фильтрации для суглинка:
- эмпирическая формула В. Н. Жиленкова
влажность на пределе текучести
4 Расчёт фильтрации.
Расчет сводится к расчёту фильтрационного расхода приходящегося на погонный метр ядра грунтовой плотины. Для этого строится гидродинамическая сетка в ядре (см. миллиметровку). После построения сетки строится эпюра градиентов на выходной грани ядра. Площадь этой эпюры умноженная на коэффициент фильтрации и есть удельный фильтрационный расход.
Т. к. то расчётной схемой будет однородная плотина с тонким ядром.
Высота падения свободной поверхности фильтрационного потока:
- ширина ядра поверху
Удельный фильтрационный расход:
- коэффициент фильтрации ядра плотины
площадь эпюры градиентов.
5Подбор зернового состава переходных зон.
Расчет состава переходных зон производится из условия недопущения суффозии контактного выпора а также из условия кольматации фильтра выносимым грунтом. Рассматриваются два расчетных случая:
I. фильтры защищают противофильтрационный элемент из глинистого грунта
II. фильтром защищается несвязный грунт.
При подборе зернового состава по I расчетному случаю рассматриваются два условия:
)ядро монолитно и не допускается образование трещин; расчет проводится из условия недопущения контактного выпора
)возможно образование поперечных трещин в ядре; расчет фильтров производится из условия кольматации трещин частицами грунта и агрегатами.
Общие требования к грунтам используемых для отсыпки переходных зон:
Расчет первого слоя переходных зон.
При расчете I слоя защищающего глинистое ядро рассматривается первый расчетный случай по двум условиям.
-ое условие - рассматриваем условие недопущения контактного выпора:
максимальный градиент фильтрационного потока берётся с эпюры градиентов из расчёта фильтрации
- коэффициент запаса учитывающий точность определения Ср
для I-го класса сооружений
- диаметр частиц при обеспеченности Р=90% для I-го слоя
коэффициент выражающий размер пор в зависимости от размера частиц берётся по графику
Подбираем из условия недопущения контактного выпора:
-ое условие - допускается кольматации трещин:
- крупность частиц при обеспеченности Р=60% для I-го слоя
крупность частиц при обеспеченности Р=70%
Теперь через две точки и проведем кривую. Параллельно ей проведем кривую через точку .
Из 2-х кривых кривой гранулометрического состава назначаем ту которая находится левее и по ней ведем дальнейший расчет переходных зон.
Расчет второго слоя переходных зон.
Расчет второго слоя ведется по второму расчетному случаю – фильтрами защищается несвязный грунт.
- диаметр частиц грунта I слоя переходных зон снимается с графика проходящего через точку
- диаметр частиц при обеспеченности Р=10% для II слоя.
Кривая II-го слоя находится правее кривой горной массы => II-й слой – не нужен.
6Расчёт устойчивости откосов.
Этот расчёт производится в предположении что грунтовый массив обрушения в теле грунтовой плотины ограничивается круглоцилиндрической поверхностью и разделён на отсеки обрушения вертикальными плоскостями а также в предположении плоской деформации на участке плотины толщиной 1 м. Условием устойчивости откоса является то что коэффициент надёжности (коэффициент устойчивости) равный отношению суммы моментов реактивных сил к сумме моментов активных сил будет превосходить рекомендуемую нормами величину составляющую 125. При этом речь идёт о коэффициенте для наиболее опасной поверхности из множества рассматриваемых т. е. наименьший коэффициент устойчивости. Таким образом расчёт сводится к подсчёту коэффициента устойчивости.
6.1Расчет устойчивости откосов на ЭВМ.
В результате введения данных о плотине программа сравнив большое количество коэффициентов устойчивости откоса по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения разных радиусов и с разными центрами выдаёт координаты центра поверхности скольжения и её радиус для наименьшего коэффициента устойчивости (распечатка результатов прилагается).
6.2Расчет устойчивости откосов ручным счетом.
Целью ручного счёта является проверка результатов счёта по определённой машиной поверхности по формуле:
- коэффициент устойчивости откоса
вес погонного метра i-го отсека
- взвешивающее противодавление
i-е удельное сцепление
i-й угол внутреннего трения
длина подошвы i-го отсека
Результаты ручного счёта удобно представить в табличной форме:
Гидравлический расчёт водосбросов.
Для пропуска строительных и эксплуатационных расходов через гидроузел сооружается туннельный водосброс.
1Расчёт эксплуатационного водосброса.
1.1Определение размеров водосброса.
Туннеля имеет круглое поперечное сечение. Площадь выходного сечения туннеля можно найти из его пропускной способности:
Q – расход равный паводковому расходу
– коэффициент расхода
= 0.7 в первом приближении;
Н – действующий на туннель напор в первом приближении принимаем равным разности отметок нормального подпорного уровня максимального уровня воды в нижнем бьефе:
Теперь на основании полученных предварительных размеров необходимо уточнить коэффициент расхода по формуле:
- сумма всех коэффициентов сопротивления.
- коэффициент сопротивления на входе
- коэффициент сопротивления на трение по длине
λ – коэффициент сопротивления по длине
- шероховатость трубы
– гидравлический радиус
- площадь одного отверстия водосброса
- смоченный периметр
таким образом получаем:
- коэффициент сопротивления на выходе
Сумма всех коэффициентов сопротивления на напорном участке:
Тогда уточнённый коэффициент расхода:
Пересчитываем площадь выходного отверстия:
- уточнённый коэффициент расхода
Н – пересчитанный напор
Предусматриваем две нитки туннелей. Один в качестве дублирующего рассчитанный на аварийный случай.
1.2Расчёт сопряжения водосброса с нижним бьефом.
При выходе потока из водосброса образуется гидравлический прыжок. Требуется определить форму сопряжения или проверить является ли он отогнанным или надвинутым (затопленным) т.е. требуется ли водобойное устройство или нет.
Условие затопленного гидравлического прыжка:
–глубина воды в нижнем бьефе при паводковом расходе
– раздельная глубина
– глубина сжатого сечения равная высоте выходного сечения
– критическая глубина (т.е. обладающая минимальной удельной энергией) определяемая по формуле:
тогда раздельная глубина:
Условие затопленного прыжка:
– условие не выполняется прыжок надвинут и требуется водобойный колодец. Проведем расчет колодца.
Глубина колодца равна:
dкол= Кз Кгасhразд – hнб
Кгас= 08 – 09 коэффициент учёта действия гасителей
Кзап=11 - коэффициент запаса
dкол= 11080105 –50 = 424 м.
Глубина колодца обычно принимается равной 115 . В нашем случае это условие выполняется.
Принимаем колодец dкол=4.3 м.
Lпр = 5(hразд - hсж) = 5 (105– 50) = 275 м
Длину колодца принимаем равной 300 м.
2Расчет пропуска строительных расходов.
2.1Пропуск максимального строительного расхода.
Расчёт на пропуск строительного расхода проводится с целью определения статического напора при котором водосбросное сооружение обеспечивает пропуск данного расхода. По этому напору определяется отметка гребня верховой перемычки.
Необходимый напор определяется из формулы пропускной способности водосброса:
– максимальный расход строительного периода
– площадь выходного отверстия
– коэффициент расхода
Отметку воды в водохранилище определим как:
Тогда отметка гребня верховой перемычки будет равна:
а – запас по превышению гребня перемычки над поверхностью воды в водохранилище принимаемый в пределах 1 ÷ 2 м.
Высота верховой перемычки составит:
Отметка гребня низовой перемычки определяется также для строительного расхода по батиграфической зависимости отметки воды в нижнем бьефе от расхода:
2.2Пропуск расхода перекрытия.
Расчёт перекрытия русла проводится с целью проверки допустимого перепада уровней воды перед создаваемой верховой перемычкой и за ней при перекрытии русла реки. Этот перепад Z не должен превышать 2 м иначе перекрытие русла может оказаться невозможным ввиду чрезмерно большой размывающей способности потока. Величина Z определяется из формулы:
– уклон дна водосброса принимаем = 0.005;
– полная длина водосброса
– понижение уровня воды при входе в водосброс.
Принимая значение определяем предварительный уклон:
Теперь значение вычисляем:
V1 – скорость потока воды в верхнем бьефе перед плотиной;
V2 – скорость потока воды в туннеле.
Скорости потоков определяем из формул:
– площадь потока воды в водохранилище
– площадь потока воды в туннеле
h0– глубина потока воды в туннеле (нормальная глубина)
bТ – ширина туннеля
Площадь потока в водохранилище определяется по топографическим данным при уровне воды соответствующем расходу перекрытия:
Для вычисления скорости потока в туннеле требуется рассчитать глубину воды в туннеле h0. Воспользуемся формулой Шези:
n – коэффициент шероховатости обделки туннеля
- гидравлический радиус
Теперь зная ширину туннеля его уклон и коэффициент шероховатости получаем окончательную зависимость расхода от величины h0:
Используя его в табличной форме для различных значений глубины h0 вычисляем значения расхода и строим график Q=(h0).
Расчет перекрытия русла ( глубины равномерного движения h0 для туннеля)
По графику Q = f(h0) для расхода перекрытия равного определяем глубину потока воды: h0=1.44м.
Тогда скорости будут равны:
а понижение уровня в водоприёмнике туннеля:
Т.о. общий перепад между верхним и нижним бьефами составит:
– условие выполняется следовательно возникающий перепад уровней для осуществления перекрытия допустим.
3Расчет водовыпуска.
Пропуск расхода полезного попуска необходимого для поддержания в нижнем бьефе требуемого уровня воды осуществляется через обводную трубу (байпас) установленную рядом с затворами водосброса.
Расчёт заключается в определении диаметра обводной трубы необходимого для пропуска заданного расхода. Определяем поперечную площадь трубы (первое приближение):
– расход полезного попуска
– действующий на туннель напор
Тогда диаметр трубы равен:
Т.к. коэффициент расхода точно неизвестен ориентировочно принятое значение =0.55 требуется пересчитать. Для этого надо определить все потери (коэффициенты сопротивления) возникающие в трубе:
lТР – общая длина трубы принимаемая равной исходя из схемы:
λ – коэффициент сопротивления по длине трубы
– относительная шероховатость материала трубы (стали)
– эквивалентная шероховатость стали принимаемая равной 3мм.
Коэффициент сопротивления на плавный поворот вычисляем по формуле:
a – коэффициент зависящий от угла поворота трубы α:
– коэффициент сопротивления при повороте на 90°вычисляемый по формуле Альтшуля:
R–радиус поворота трубы принимаемый равным примерно трём диаметрам трубы:
Таким образом получаем потери в трубе и уточнённый коэффициент расхода:
Пересчитываем площадь трубы и диаметр:
Т.к. диаметр изменился достаточно значительно требуется ещё раз уточнить коэффициент расхода:
Т.к. диаметр почти не изменился принимаем его в качестве окончательного. Окончательный диаметр обводной трубы (байпаса) принимаем равным 1.1м.
В результате проделанных вычислений была спроектирована каменно-земляная плотина с упорными призмами из горной массы и центральным ядром из суглинка. Отметка гребня плотины 17190м высота плотины 360м ширина по гребню 100м. По гребню устроена автодорога.
Заложение откосов принято 1:15. Верховой откос укреплен. Крепление каменное. Толщина крепления 30м.
Ядро плотины из суглинка. Защищено одной переходной зоной. Ширина ядра поверху 30м. Отметка ядра 17170м.
К плотине примыкает верховая перемычка с отметкой гребня 16940м и низовая с отметкой гребня 16889м.
В качестве водопропускных сооружений запроектирован туннельный водосброс. Рассчитаны два пропускных туннеля (один аварийный). Сечение выбрано круглое диаметром 50м. Уклон дна 0005. Для сопряжения с нижним бьефом запроектирован водобойный колодец глубиной 43м длиной 300м. В качестве водовыпусков рассчитаны байпасы по два в каждом туннеле. Диаметр этих труб 11м.
Список использованной литературы.
–«Гидротехнические сооружения» под ред. Рассказова Л.Н. 1996г.
–«Справочник по гидравлическим расчётам» под ред. Киселёва П.Г. 1974г.
–«Компоновка механического оборудования ГЭС» Савин Д.М. 1981г.
–«Гидравлические расчёты высоконапорных гидротехнических сооружений» СлисскийС.М. 1986г.
–СНиП 2.06.04-82 «Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые ледовые и от судов).