Гидроузел с плотиной из грунтовых материалов

Гидроузел с плотиной из грунтовых материалов.dwg

Гидроузел с плотиной из грунтовых материалов
Гидроузел с плотиной из грунтовых
Привязка объекта к местности
Ростительный грунт h =0
Глина тугопластичная h =2
Суглинок твердый h =4
насыщенный водой h =2
План свайного фундамента
Схема установки деревянной забирки
план и разрезы водосброса
Защитный слой из песчаного
Узел 3 Гребень плотины
Асфальтобетонное покрытие t = 0.1
Подготовка из щебня t = 0.2 м
Песчаный слой t = 0.7 м
Поперечный разрез водосброса в сечении 3-3
Желоб из монолитного жб
Подготовка из пескаt=0.2 м
(деформационный шов между картами
Скрутка выпусков арматуры
Доска пропитанная битумом
Продольный разрез плотины в сечении 1-1
Генеральный план гидроузла
Поперечный разрез водосброса в сечении 4-4
Слой обратного фильтра
Поперечный разрез плотины в сечении 2-2
Разрез по оси водосброса 4-4
Поперечный разрез плотины в сечении 3-3
Крепление галечником
- Плотина из грунтовых материалов
- Эксплуатационный паводковый водосброс
- Ось водовыпуска и строительных труб
- Водоотводящий кювет
Поперечный разрез водосброса в сечении 1-1
Узел 2 Гребень плотины
Поперечный профиль грунтовой плотины м 1:500
тело плотины - песок
крепление откоса бетоными плитами
основание плотины - глина
Условные обозначения
Сборные жб плиты 2*2*0.5 м
Нравийно-песчаная подготовка 0.1 м
Гравийно-песчаная подготовка
Узел 3 Конструкция дренажной призмы плотины
Крепление каменной наброской
Гравийно-галечниковый грунт t=0
Узел 1 Конструкция дренажной призмы плотины

Гидроузел с плотиной из грунтовых материалов.docx

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ –МСХА имени К.А. ТИМИРЯЗЕВА»
(ФГБОУ ВО РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева)
Факультет гидротехнического агропромышленного и гражданского строительства
Кафедра гидротехнических сооружений
«Гидроузел с плотиной из грунтовых материалов»
Выбор створа и описание компоновки сооружений гидроузла
Проектирование плотины из грунтовых материалов
1. Выбор типа плотины
2 Определение отметки гребня плотины
2.1. Установление параметров волнам водохранилище
2.2 Предварительные назначение коэффициентов заложение откосов
2.3. Выбор типа крепления верхового откоса
2.4. Расчёт и назначение отметки
3. Проектирование крепления откосов плотины
3.1. Определение границ крепление верхового откоса
3.1.2. Обоснование конструкции крепления. определение параметр
3.2. 1. Выбор типа крепление низового откоса
4. Конструирование гребня и берм плотины
4.1. Назначение отметки гребня и берм
4.2. Конструирование дорожного полотна и обочин отвод воды с гребнем низового откоса и берм
5. Назначение и проектирование дренажей и обратных фильтров
5.1. Назначение типов и размеров в дренаже в русловой пойменные и береговой частях плотины
5.2 Подбор обратных фильтров по методу В.С. Истоминой
5.2.1. Оценка необходимости устройства фильтра между телом плотины и дренажом
5.2.2. Оценка необходимости устройства обратного фильтра между основанием и дренажом
5.2.3. Проверка контакта между грунтом основания и 1 слоем фильтра
5.2.4. Проверка необходимости устройства 2 слоя фильтра
6. Расчёт фильтрации в теле и основании плотины
6.1. Определение фильтрационного расхода и построение кривой депрессии
6.2. Ориентировочная оценка общих потерь воды на фильтрацию через тело и основание плотины
6.3. Оценка общей фильтрационной прочности тела и основания плотины
6.3.1. Оценка фильтрационной прочности тела плотины
6.3.2. Оценка фильтрационной прочности основания плотины
7. Расчёт устойчивости откосов плотины
7.1. Построение расчётной схемы
7.2. Выполнение расчётов устойчивости нозового откоса плотины
7.3. Определение коэфициента устойчивости откоса
8. Определение осадки гребня плотины
Проектирование водосброса
1. Выбор трассы водосброса
2. Выбор типа водосброса
3. Проектирование открытого берегового регулируемого водосброса
3.1. Назначение габаритных размеров и гидравлический расчёт регулятора водосброса
3.1.1. Назначение удельных расходов
3.1.2. Предварительное назначение ширины фронта регулятора
3.1.3. Предварительное определение напора на регуляторе
3.1.4. Установление ширины и количества пролётов регулятора
3.1.5. Расчёт параметров регулятора
3.1.6. Определение отметки порога регулятора
3.1.7. Определение высоты затвора регулятора
3.2. Конструирование и расчёт подводящего канала
3.3. Проектирование транзитной части
3.4. Гидравлический расчёт и конструирование лотка водосброса в пределах транзитной части
3.4.1. Определение глубины в начале быстротока
3.4.2. Определение нормальной глубины потока
3.4.3. Оценка влияния аэрации на глубину потока в пределах транцитной части
3.4.4. Оценка возможности проникновения в лотке быстротока катящихся волн и меры предупреждению их образования
3.4.5. Назначение высоты стенок лотка быстротока в пределах транзитной части и построение поперечного сечения быстротока
3.5. Гидравлический расчёт и конструирование концевого участка водосброса
3.5.1. Определение сопряжения потоков в нижнем бьефе
3.5.2. Параметры гидравлического прыжка
3.5.3. Расчёт водобойной части
3.5.4. Проверка местоположения прыжка за стенкой
3.5.5. Определение параметров отдельных элементов
3.5.6. Определение длины крепления нижнего бьефа
3.5.7. Определение параметров рисбермы
Проектирование донного водовыпуска
1. Выбор места и конструктивной схемы сооружения
2. Гидравлический расчёт водовыпуска
Список использованной литературы
Проектируемый в курсовом проекте гидроузел с плотиной из грунтовых материалов служит для решения комплекса водохозяйственных задач. В число этих задач входит: создание водохранилища осуществление полезных попусков воды в русло реки подача воды потребителю создание зон рекреации развитие рыбного хозяйства и т.д.
Компоновка гидроузла включает в себя створ плотины трасс и местоположения водопропускных сооружений.
В состав основных сооружений гидроузла входят:
- плотина из грунтовых материалов;
- паводковый водосброс;
- водовыпуски для подачи воды в нижний бьеф.
Инженерно-геологические и гидрологические характеристики в любом сечении долины реки не изменяются.
На топографическом плане наметим несколько вариантов створа в местах сужения долины.
Предварительно определяем приблизительную отметку гребня плотины по формуле:
где ФПУ - отметка форсированного подпорного уровня воды в водохранилище
hs - запас (в метрах) высоты гребня плотины над отметкой форсированного подпорного уровня воды в водохранилище.
Hs=1+ =1+ =21 м (1.2)
L - длина разгона ветровой волны км.
Нпл Гр - vдна = 1162 - 99= 172 м
Длина плотины по гребню: створ 1-1 - 226 м
На основе топографии единственным возможным вариантом является створ №1.
Он выгоден тем что является прямолинейным вариантом оси плотины расположен в месте сужения долины имеет меньшую длину. Также в выбранном створе возможно рациональное размещение в нем водопропускных сооружений
1.Выбор типа плотины
Выбор типа плотины осуществляется в соответствии с требованиями СНиП 2.06.05.84* «Плотины из грунтовых материалов» на основании техникоэкономического сравнения вариантов различных конструкций или типов плотин.
Долина реки сложена нескальными грунтами то есть исключается возможность возведения каменно-земляных и каменно-насыпных плотин из-за относительно большой сжимаемости основания и отсутствия каменных материалов в количестве необходимом для возведения основных частей тела плотины; высота плотины не превышает 20-25 м; плотина возводится методом послойной отсыпки грунта насухо с уплотнением.
На продольном профиле по створу плотины где приводится геология видим что имеются следующие типы грунтов:
-песок гравелистый;
Предпочтительны карьеры в верхнем бьефе для выбора грунта. В нашем случае имеем грунты 1 О 14 что не подходит так как коэффициент фильтрации слишком высок.
Также возможно использование грунтов вблизи створа гидроузла. Грунт используем из выемок под береговой водосброс. В целом будем считать что количества любого карьерного грунта достаточно для тела плотины.
Вариантами плотин которые могут быть возведены из имеющихся в карьерах строительных материалов являются:
-однородная из суглинка;
-неоднородная из песка с ядром;
-неоднородная из песка с экраном (и возможно понуром);
-однородная плотина из суглинка с зубом.
Для дальнейшего проектирования принимаем однородную плотину из суглинка так как однородная плотина предпочтительнее чем неоднородная тем что она наиболее проста с точки зрения производства работ. Кроме того суглинок является хорошим строительным материалом обладает хорошими сдвиговыми характеристиками и низким коэффициентом фильтрации что предопределяет незначительные фильтрационные потери через тело плотины. Вместе с тем разработка суглинка в карьере транспортировка его в тело плотины и все операции связанные с послойным уплотнением суглинка на карте укладки значительно осложняются при неблагоприятных погодных условиях когда работы по возведению тела плотины приходится практически останавливать.
Определение значения отметки гребня плотины выполняется в соответствии со СНиП 2.06.05-84* «Плотины из грунтовых материалов» для двух значений отметок расчетных уровней воды (VPY) в верхнем бьефе гидроузла: v7ФПУ и v7НПУ.
hs = hset + hryn1%+ а (2.2)
где hs - превышение отметки гребня плотины м;
hset - высота ветрового нагона воды м;
hrun1% - высота наката ветровых волн обеспеченностью 1% м; а - конструктивный запас гребня м.
Расчет основных элементов волн определяются в соответствии со СНИП 2.06.04-82* «Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые ледовые и от судов)».2.2.3. Выбор типа крепления верхового откоса
Определяем безразмерные параметры при РУ
где t - время непрерывного воздействия ветра- 21600 сек.
Затем по верхней огибающей графика [1] Пб определяются минимальные значения параметров и для каждой пары параметров и
Определение периода (в секундах) и средней длины волны λd (в метрах) выполняется по формулам:
Затем выполняется проверка глубоководности водоёма. При этом если условие
где Н1 - глубина водоёма выполняется то водоём считается глубоководным и использование верхней огибающей графика [1] П6 является корректной.
После проверки определяется средняя высота волны
и высота волны обеспеченностью 1%
Величина коэффициента К1% может быть принята для небольших водохранилищ являющихся предметом проектирования в курсовом проекте равной 206..208.
Результаты расчётов сводим в таблицу 2.1
Таблица 2.1 - Параметры волн для трех расчетных уровней воды в водохранилище
Отметка расчетного уровня (VPY) м
Длина разгона ветровой волны м
Угол между продольной осью водоема и направлением ветра а град
Расчётная скорость ветра V мс
Обеспеченность по накату %
Проверка глубоководности водоёма
2.2. Расчёт и назначение отметки
Предварительно назначаем коэффициент заложения откосов.
По таблице 2.3 «Коэффициенты заложения откосов плотин из грунтовых материалов» [1] для плотины высотой от 15 до 50 метров принимаем: m1= 3 m2=25.
2.3. Расчёт и назначение отметки
Предварительно принимаем каменную наброску как более гибкий и менее дорогой тип крепления.
2.4. Расчёт и назначение отметки гребня плотины
Для определения превышения гребня плотины hs над отметкой расчетного уровня в соответствии с формулой (2.1) необходимо установить высоту наката волны на откос высоту ветрового нагона и величину конструктивного запаса.
Высота наката волны на ветровой откос определяется по формуле:
hrun 1%=kr kp ksp krun kj k h1% (2.3)
Значения коэффициентов kг и kp устанавливаются в зависимости от типа крепления. По таблице 2.4 [1] принимаем kг=l kp=09.
Значение коэффициента ksp устанавливается в зависимости от скорости ветра и коэффициента заложения верхового откоса в месте наката волны по таблице 2.5 [1].
Значение коэффициента kj устанавливается в зависимости от обеспеченности по накату j (принимаем j=l %) по таблице 2.6 [1].
Значение коэффициента kгun устанавливается в зависимости от пологости волны т.е. отношения λd h1% и коэффициента заложения верхового откоса m1 по графику П7 [1].
При подходе фронта волны к сооружению под углом а град со стороны открытой акватории значение коэффициента ka следует принимать по таблице 2.7 [1 ]. Принимаем а=00 тогда ka=l.
Значения всех определенных коэффициентов сводим в таблицу 2.1
Продолжение таблицы 2.1
Высота ветрового нагона м
Конструктивный запас а м
Запас гребня над расчетным уровнем м
Определение высоты ветрового нагона
где V- скорость ветра;
L - длина разгона ветровой волны;
Н - расчетная глубина воды в водохранилище;
Конструктивный запас гребня плотины над верхней точкой наката волны на откос при высоте волн менее 5 м равен 05 м.
С учетом всех определенных составляющих запас гребня плотины над расчетным уровнем верхнего бьефа определяем по формуле (2.1)
Из полученных отметок гребня плотины принимается наибольшая с округлением в большую сторону до 01 м.
Принимаем Гp= l 165 м
В соответствии со СНИП 33-01-2003 «Гидротехнические сооружения.
Основные положения» по таблице 2.8 [1] определяем класс сооружения с учетом ее высоты которая равна 175 м.
Данная плотина относится к III классу. Задачи расчета грунтовых плотин:
- отсутствие перелива воды через гребень;
- отсутствие глухих опасных деформаций;
- расчет устойчивости откосов.
Для защиты верхового откоса от волнового воздействия предусматривается устройство крепления.
3.1.1. Определение границ крепления верхового откоса
Отметку верхней границы совместим с отметкой гребня.
Отметку нижней границы выбираем низшей исходя из двух условий:
креп= УMO - 2h1%УMO (2.6)
креп= УMO – 15 tльда
где h определяется из таблицы 2.1 при отметке УМО 1%УМО tльда _ толщина льда в водоеме указанная в бланке задания. tльда=0.35 м.
V = 1059 - 2 х 039 = 10512 м креп
кpen = 105 - 2 * 105 = 1029 м
креп = 105 - 15 * 08 = 1034 м
Принимаем креп= 1029м
Рассмотрим возможность использования щебенистого карьерного грунта.
Расчет проводим при отметке НПУ.
Находим массу отдельного элемента крепления по формуле:
Находим массу отдельного элемента крепления по формуле:
где h-расчетная высота волны м принимается h1% рассчитанной при НПУ
λd - средняя длина волны м;
kfr - коэффициент учитывающий тип крепления. По таблице 2.9 [1] для каменной наброски принимаем ktг=0025;
ρS- плотность камня. По приложению ПЗ принимаем равным 267 тм3
ρw- плотность воды (рш=l тм3)
Средний размер камня Dcp крепления приведенный к шару определяется по формуле:
Выполняем проверку пригодности карьерного материала по графику приложения П9 [1] на который наложена кривая kgr=f(P).
Значение коэффициента kgг определяется по формуле:
где: m - масса камня т
mi - масса камня большая или меньшая расчетной т
Di и Dcp - диаметры фракций камня мм приведенные к диаметру шара имеющего массу соответственно mi и m.
По графику получено что карьерный грунт является пригодным для использования в качестве крепления верхового откоса но нуждается в обогащении мелких фракций.
Толщину наброски tmin из несортированного камня назначают по выражению:
tmin=3d85% = 3х200=600 мм
где d85% - диаметр камня определяемый по кривой гранулометрического состава при Р=85%.
Роль крепления низового откоса в пределах волновых воздействий нижнего бьефа обычно выполняют дренажная призма из крупнообломочных грунтов или насланный дренаж. Остальная часть откоса защищается от атмосферных воздействий посевом многолетних трав по слою растительного грунта толщиной не менее 01 м.
Гребень плотины конструируется исходя из условия производства работ и эксплуатации плотины. Ширина гребня устанавливается в зависимости от категории прокладываемой по гребню дороги. В соответствии с таблицей 2.11 [1] принимаем категории дороги IV ширина гребня 1О м проезжей части - 6 м обочин-2 м.
Для стока поверхностных вод придадим двусторонний уклон равный 15% а на обочинах-4%. В пределах обочин предусматривается устройство ограждения из сигнальных столбиков различной конструкции.
Покрытие дороги выполнено из асфальтобетона с укладкой на подготовку из щебня. По краям проезжей части предусмотрены тротуары.
Берма на верховом откосе совмещена с отметкой гребня верховой строительной перемычки.
В связи с малой высотой грунтовой плотины организация бермы низового откоса не требуется.
Отвод поверхностных воде гребня плотины предусматривается в соответствии с категорией дороги.
Для обеспечения организованного отвода фильтрующей через тело и основание плотины и надлежащего заглубления поверхности фильтрационного потока по отношению к поверхности низового откоса а также для того чтобы избежать промерзания живого сечения потока и его превращения в напорный в плотинах из грунтовых материалов устраиваются дренажи.
Отводящую часть дренажа выполним из галечниковой наброски так как данный грунт имеется в достаточном количестве в виде призмы. Этот тип дренажа обладает рядом достоинств:
- хорошее дренирование тела плотины и основания во всем диапазоне колебаний отметок уровней нижнего бьефа;
- выполнение призмой функции крепления низового откоса в зоне волновых воздействий нижнего бьефа;
- простота конструкции;
- возможность использования в качестве перемычки для перекрытия русла реки в строительный период.
Отметка верха дренажной призмы должна превышать отметку максимального уровня нижнего бьефа на величину а=05 м. Максимальный уровень нижнего бьефа найден по рисунку 2.5 равен 10195 м.
Др = 10195 + 05 = 10245 м.
Ширину дренажной призмы поверху (В др) принимаем 3 м для постоянного проезда техники.
Коэффициент заложения внешнего откоса и внутреннего дренажной призмы
В качестве материала банкета принимаем галечниковый грунт
гдe: D 60 - диаметр частиц грунта приведенных к шару призмы дренажа с содержанием фракций 60%;
- коэффициент неоднородности.
Контакт двух грунтов считается удовлетворительным если точка отражающая параметры двух смежных грунтов или грунта первого слоя фильтра находится ниже соответствующей раздельной линии т.е. в зоне II называемой зоной допустимых характеристик.
По графику для связных грунтов (Пl 7.2-в[ l ]) получаем что применение обратных фильтров между телом плотины и призмой банкета не требуется.
где: d50- диаметр частиц грунта приведенных к шару основания с содержанием фракций 50%;
- коэффициент межслойности.
По графику для связных грунтов (Пl 7.2-6 [1]) получаем что требуется применение обратных фильтров между основанием и дренажом.
I слой фильтра - песок гравелистый.
Проверяем пригодность грунта по коэффициенту фильтрации в соответствии с условием :
Значит грунт может быть применим в качестве обратного фильтра.
По графику (Пl 7.2-6 [1]) получаем что грунт удовлетворяет условиям
Проверяем контакт грунта I слоя фильтра с призмой дренажа.
По графику (Пl 7.2-6 [1]) получаем что грунт удовлетворяет условиям.
Организация II слоя фильтра не требуется.
Толщину слоев назначаем с учетом производства работ но не менее О2м.
В ходе фильтрационных расчетов должны быть установлены:
- положение кривой депрессии;
- удельный фильтрационный расход;
- суммарные фильтрационные потери;
- градиенты напора фильтрационного потока.
Кривая депрессии между осью ординат и сечением находящимся на расстоянии Т2 от оси ординат строится по уравнению:
где у - ордината кривой депрессии в плотине;
kt-коэффициент фильтрации грунта тела плотины;
k0- коэффициент фильтрации грунта основания плотины; Т- мощность проницаемого основания;
q- удельный фильтрационный расход через тело плотины и основание; х - текущая координата;
L - длина определяемая по чертежу плотины на миллиметровке.
Кривая депрессии от начала дренажа до сечения проходящего на расстоянии
Т2 от оси ординат строится по уравнению:
Где hс определяется по зависимости:
Н1 и Н2 - глубины воды перед и за плотиной соответственно:
Н1 = VНПУ - v7Дн а= 1142 - 99 = 152 м
Н2 = VНБmin· - VДна = 99 04 - 99 = О 04 м
Lp- расчетная длина определяемая по выражению :
Ldr - длина захода кривой депрессии в дренаж определяемая по формуле:
mh- заложение верхового откоса
Lp = 4856 + 794 + 002 = 5652 м
Для построения кривой депрессии зададимся значениями от О до Т2.
Полученные значения ординат сводим в таблицу 2.2 Таблица 2.2 - Построение кривой депрессии
От оси ординат до Т2
Выполним приближенную оценку фильтрационных потерь через русловую
часть плотины приняв ширину русловой части pl
Qф= qpyc= 1.569 = 1404 м3сут (2.24)
Сравниваем значение фильтрационных потерь с расходом полезных попусков:
Qпп = 08х86400 = 69120 м3сут
Расход полезных попусков многократно превышает фильтрационные потери. Проведение дополнительных противофильтрационных мероприятий не требуется.
Фильтрационная прочность тела плотины оценивается в соответствии с СП 39.13330.2012 «Плотины из грунтовых материалов» по условию:
Гдe Iestm- действующий градиент напора в теле плотины;
Icrm - критический средний градиент напора (принимается по таблице СП 39.13330.2012);
уn - коэффициент надежности по ответственности сооружений
определяемый по СП 58.13330.2012 в зависимости от класса сооружений. Для сооружения 111 класса принимаем Yn = 1 1 5 ;
Так как тело плотины сложено из супеси пот таблице 2.14 [1] принимаем значение lcrm = 15
Расчетный градиент Iеstm Определяем по формуле:
где ЛН - разница уровней верхнего и нижнего бьефов;
L расч - определяется по формуле:
Условие удовлетворено следовательно тело плотины обладает
достаточной фильтрационной прочностью.
Фильтрационная прочность основания плотины оценивается в соответствии с СП 39.13330.2012 «Плотины из грунтовых материалов» по условию:
Так как основание плотины сложено из песка мелкого пот таблице 2.15 [1] принимаем значение lcro = 032
Средний градиент напора в основании определяется из зависимости:
где Трасч- заглубление расчетного водоупора.
Трасч = 05L = О5х4856 = 2428 М
Условие удовлетворено следовательно основание плотины
обладает достаточной фильтрационной прочностью.
Так как условия обеспечения фильтрационной прочности и тела и основания плотины выполнены система «плотина-основание» обладает достаточной фильтрационной прочностью. Дополнительных мер по улучшению не требуется.
Расчет проводится методом круглоцилиндричеких поверхностей скольжения для предварительно выбранного очертания откоса при заданных физико-механических характеристиках грунта тела и основания плотины и известном положении кривой депрессии.
Расчет устойчивости откосов относится к расчетам по I группе предельных состояний (непригодность сооружения к эксплуатации) условие недопущения которых согласно СП 58.13330.2012 записываются в виде:
F - расчетное значение обобщенного силового воздействия определение с учетом коэффициента надежности по нагрузке Yt · В соответствии с приложением
Дк СП 58.13330.2012 принимаем Yt = 1 ;
R = расчетное значение обобщенной несущей способности определенной с учетом коэффициентов надежности по грунту Ув и условий работы у8 - учтен в исходных данных курсового проекта Ус принимаем равным 1;
Уп - коэффициент надежности по ответственности сооружения принимаемый для 111 класса 115.
Для нижеприведенного метода круглоцилиндрических поверхностей скольжения условие устойчивости может быть записано в виде:
где Мудер и Мсдв- суммы моментов удерживающих и сдвигающих сил соответственно относительно центра поверхности (кривой) скольжения;
k ycr - коэффициент устойчивости откоса;
kдоп - нормативный коэффициент устойчивости откоса.
Для определения наиболее опасного центра скольжения воспользуемся методом «прямого луча»: от подошвы низового откоса плотины (точка А) откладываем высоту плотины затем от полученной точки Б откладываем по горизонтали в сторону верхнего бьефа отрезок длиной 5Нпл после чего из точки В проводится луч проходящий через верхнюю точку низового откоса (точка Г). На луче выбираем точку О так чтобы вертикаль опущенная из нее проходила как можно ближе к нижней части низового откоса.
Угол внутреннего трения основания и тела плотины равны : φпл = 23° и φосн=
Удельное сцепление основания и тела плотины равны: C пл= l l0 кНм2 и
Радиус кривой принимаем из условия захвата части основания со стороны нижнего бьефа. Длина захватываемой части х:52Нпл R = 50м.
Разбиваем полученный массив обрушения на блоки шириной b=0.lR=5м.
7.2. Выполнение расчётов устойчивости низового откоса плотины
Условно проводим все грунты в каждом отсеке к грунту №1. Приведенную высоту отсека рассчитываем по формуле:
где: h1 - высота i-ro слоя грунта по средней линии блока.
р1 - плотность грунта №1 определяемая по формуле:
где: n - пористость грунта;
ρ г плотность сухого грунта;
k- коэффициент учитывающий естественную влажность; k=
ρ1= (1 - 036) 2680115 = 197248 кrм3
ρ 2 ρ 3 и ρ 4 - плотность грунтов №2 №3 и №4 взвешенных в воде. Грунты №2 и
№4 идентичны поэтому:
ρ 2= ρ 4 = (1- n) ( ρ d - ρ о) = (1- 0 36) (2600- 1000) = 10752 кгм3
ρ з = (1- n) (ρ d- ρ о) = (1 -037) (2650 -1000) = 10395 кгм3
Значение угла внутреннего трения устанавливается для грунтов в которых проходит поверхность скольжения. Так как в данном проекте кривая скольжения проходит только по насыщенным грунтам примем:
Результаты расчетов сводим в таблицу 2.3
7.3. Определение коэффициента устойчивости откоса
Расчетная формула для определения коэффициента устойчивости:
где F1 - сила трения возникающая на подошве всего массива обрушения;
Fс сила сцепления массива обрушения;
здесь li - длина i-гo участка кривой обрушения на котором удельное сцепление равно Cj.
Fс= 1100О*698 + l l000 *262 + 8800 *16 58 + l 600 * l 75 + 880О *5236 = 7150614
Ф 1 и Ф 2 - объемные фильтрационные силы
i - площадь фигуры в центре тяжести которой приложена объемная сила определяемая по схеме: 1 = 257 0 м 2 2=1233 м2
Ii - напорный градиент фильтрации
y - длина падения кривой депрессии.
В - ширина плотины по подошве;
lдр - ширина дренажа по подошве.
Ф1= 257 х 024 х 1000 = 6176294 Н 62 кН
Ф2 = 123 3 х 0152 х 1000 = 1871673 Н 19 кН
r1 и r2 - плечи сил Ф1 и Ф2 соответственно до вертикальной оси массива обрушения определяемый по схеме: r1 = 4539 м и r2 = 956 м.
Полученное значение коэффициента устойчивости должно удовлетворять условию:
Значение коэффициента устойчивости определяют при нескольких положениях вершины. При этом выбирают наименьшее значение.
При невозможности проведения нескольких вариантов расчета в данном курсовом проекте принимаем полученное значение kуст равным минимальному.
Так как значение kуст превышает kдоп то необходим предусмотреть меры по облегчению тела плотины для удешевления и упрощения производства работ.
Расчеты осадки плотины ведутся методом послойного суммирования при этом вычисляется стабилизированная осадка для заданной глубины сжимаемого слоя грунта основания либо для активной зоны при неограниченной мощности слоя. Расчет ведется также и для тела плотины.
Так как в данном проекте плотина относится к III классу суммарная осадка тела и основания плотины принимается равной:
S = 00 1 Нпл = 001 175 = 018 м (2.42)
С учетом осадки должен быть возведен строительный профиль плотины отметка гребня которого в русловой части (месте наибольшей осадки) находится по формуле:
Грстр = Гр + S = 1165 + 018 = 11668 м (2.43)
Осадка гребня плотины в местах ее боковых примыкания равна 0.
При грунтовых плотинах для пропуска расходов половодья и дождевых паводков во избежание переполнения водохранилища для пропуска льда шуги и мусора из верхнего бьефа в нижний устраивают водосбросные сооружения.
В состав берегового водосброса в общем случае могут входить следующие сооружения:
- подводящий канал с ледозащитными устройствами;
- шлюз-регулятор или водослив;
- сопрягающий (сбросной) канал;
- сопрягающее сооружение;
- концевое устройство водосброса;
С точки зрения планового размещения трассы целесообразно соблюдать следующие рекомендации:
) Протяженность трассы должна быть наименьшей.
) Как правило на ней должны отсутствовать или в случаях крайней необходимости иметь место минимальное число поворотов.
) Расстояние между концевой частью водосброса и подошвой низового откоса плотины не должно быть менее 20 50 м.
) Выходящий из водосброса поток должен сопрягаться под возможно более острым углом с осью русла реки.
) Трасса водосброса должна проходить перпендикулярно
преимущественному направлению горизонталей берегового склона в нижнем бьефе.
) Целесообразно чтобы ось дороги по гребню грунтовой плотины в месте ее пересечения с водосбросом была перпендикулярна оси водосбросного тракта.
) Трасса водосброса не должна пересекать форм рельефа с проявлением эрозионных явлений.
С точки зрения вышеперечисленных рекомендаций и технико-экономических показателей строительства рассмотрим возможные варианты трассы водосбросного тракта.
Вариант трассы Б1 наиболее полно отвечает требованиям к водосбросу на данном этапе:
- трасса располагается в большинстве своем в выемках. При этом грунт из выемок возможно целесообразно укладывать в тело плотины;
- можно принять транзитную часть с одним уклоном что проще в строительстве и эксплуатации;
- трасса водосброса практически перпендикулярна горизонталям что обеспечивает приблизительную равномерность выемок с обеих сторон лотка водосброса.
Определение возможности использования автоматического водосброса.
Отметка гребня совмещена с отметкой НПУ.
Ориентировочную длину водосливного фронта регулятора необходимую для пропуска поверочного расчетного расхода Qпов определяем по формуле:
Где Qпов - поверочный расход водосброса равный расходу при
m - коэффициент расхода принимаемый для водослива
практического безвакуумного профиля криволинейного очертания m=049.
Но - напор на пороге водослива с учетом скорости подхода V0
определяемый по формуле:
На данной стадии курсового проекта скоростью подхода можно пренебречь т.е. принять Н0=Н; здесь Н - напор на пороге водослива. Для нерегулируемого водосброса:
Н = ФПУ – НПУ = 1141 – 1131 = 1м (3.4)
Нецелесообразно использование нерегулируемого водосброса такой большой длины так как отсутствуют благоприятные топографические условия . Будем использовать регулируемый водосброс с затворами.
Конструкции подводящего и сбросных каналов сопрягающего сооружения и отводящего канала регулируемого открытого берегового водосброса не отличаются от конструкции нерегулируемого берегового водосброса. Однако в отличии от последнего основным элементом его водосбросного тракта является регулирующее сооружение - шлюз-регулятор.
Удельный расход нижнего бьефа назначается из условия неразмываемости грунта. В соответствии с таблицей 3.1 [l] для песка: qнб = 55 м2с.
Удельный расход регулятора: qper= l * qнб = 1 xS5=55 м2с.
Схема к расчёту регулятора.
Из формулы расхода водослива получаем:
Принимаем водослив с широким порогом без порога. Коэффициент расхода
В соответствии со СП 58.13330.2012 устанавливаем ширину (bпр ) и
количество (n) пролетов регулятора из условия:
Зададим в первом приближении: bпр=6 м; n = 3
Уточняем ширину регулятора:
Коэффициент сжатия определяется по формуле:
где: а - коэффициент учитывающий влияние очертания входной
кромки бычков. Принимаем полукруглое очертание входной кромки следовательно а = 011.
Уточняем напор на регуляторе с учетом всех коэффициентов.
где 11- коэффициент подтопления. Предполагаем что за регулятором будет быстроток следовательно 11= 1.
Из-за нерациональности использования полученных параметров примем во
втором приближении bпр= 5 м; n = 3.
tб (025 03) bпр=0З5 = 15 М
ВФРВ рег= bпрn + (n-1) Хtб = 5З + (3-1) 15 = 18 0 м
Коэффициент сжатия определяется:
Полученные во втором приближении параметры более удовлетворительны. Расчет продолжаем по всем данным параметрам.
а - коэффициент учитывающий распределение местных скоростей по потоку а= 011;
Vo- скорость подхода воды к регулятору определяемая по формуле:
Vпор = 114.1- 1.016 = 113.084 1131 м
h3= (VФПУ+О2) - vпор = (1141 + 02) - 113 1 = 12 м (3.14)
Для подвода воды к регулятору устроим короткий подводящий канал с нулевым уклоном дна. Сопряжение канала с регулятором выполним в виде обратных стенок.
Ширина канала по дну определяется по формуле:
где lc - длина сопрягающего участка между каналом и регулятором.
lc= (2 З)Нгр = 2 265 =53 м
- угол отклонения обратной стенки от продолжения стены регулятора. Принимаем 0 = 9°.
bк = 18 + 25З tg9° = 197 М
Высота канала равна высоте гребня регулятора:
hк = Нгр = 265 м.(3.15)
Для данных характеристик канала скорость подхода воды вычисляется по формуле:
где Wк - площадь живого сечения канала. Для трапецеидального русла определяем по формуле:
tк - коэффициент заложения откосов канала. По таблице 3.6 (1] принимаем для супеси:
Сравниваем значение полученной скорости в канале с допустимым значением скорости на размыв. По таблице П31 [1] для супеси Vнер = 140 мс
Так как скорость в канале меньше допустимой скорости на размыв можно не предусматривать дополнительное крепление (облицовку) подводящего канала.
Для проектирования сопрягающего участка водосброса построим топографический разрез местности по оси транзитной части. Исходя их условия топографии зададим наклонную поверхность дна. Таким образом уклон сопрягающего сооружения определяется по формуле:
где H. Б. - отметка начала быстротока равная отметке дна регулятора; К. Б. - отметка конца быстротока равная отметке дна реки;
l6 - длина горизонтального проложения быстротока l6 = 980 м
Так как уклон транзитной части менее 03 для дальнейшего проектирования используем сопрягающее сооружение в виде быстротока.
Лоток быстротока выполним из сборного железобетона прямоугольным поперечным сечением.
Так как уклон быстротока больше критического следовательно в его начале устанавливается критическая глубина для прямоугольного сечения определяется по формуле:
Где qб - удельный расход на быстротоке;
b6 - ширина быстротока равная ширине регулятора;
-угол наклона к горизонту. Так как уклон меньше 015 углом наклона пренебрегаем и принимаем cos = 1;
Для назначения высоты стенок и оценки гидравлического режима течения потока необходимо знать изменение глубин по длине лотка быстротока. В общем случае необходимо построение кривой свободной поверхности потока. На практике при уклоне быстротока больше 01 на расстоянии более 20hкр глубина практически не отличается от нормальной. В данном курсовом проекте примем изменение глубины от критической до нормальной подчиняющееся линейному закону.
Определим нормальную глубину потока из формулы Шези:
Где w - площадь живого сечения потока w = h0 х bб;
R - гидравлический радиус
Х - смоченный периметр лотка х = 2h0bб;
С - коэффициент Шези
N - коэффициент шероховатости дна и стенок быстротока.
Для бетона примем n =0017;
Как видно из пояснений нормальная глубина h0входит в уравнение Шези неоднократно. Следовательно задачу решаем графоаналитическим способом.
Для упрощения расчетов заменим константы уравнения коэффициентом:
Тогда h0 определяется из зависимости от:
Зависимость глубины h от коэффициента k. По графику принимаем нормальную глубину быстротока h00.45 м.
3.4.3. Оценка влияния аэрации на глубину потока в пределах транзитной части
При движении воды по быстротоку поток захватывает часть воздуха и аэрируется что приводит к увеличению глубины. Для определения наличия аэрации найдем число Фруда:
Где Vкб - скорость в конце быстротока
Полученное число Фруда сравниваем с критическим числом Frкp при котором начинается аэрация. Его значение:
где - - относительная шероховатость бетона принимаемая равной 003
Fr>Frкp следовательно в потоке возникает самоаэрация. Глубина аэрированного потока определяется по формуле:
где Vн.акр - критическая скорость начала аэрации определяемая по формуле Войнича - Сянотенского:
где R - гидравлический радиус взятый в центральном поперечном сечении быстротока. Считая что эпюра скоростей меняется по линейному закону глубину в данном сечении можно найти как:
На быстротоках большой длины при значительной величине отношения ширины быстротока к глубине воды происходит потеря устойчивости потока с образованием продольных (катящихся) волн и сбойности течения. Они ухудшают режим сопряжения бьефов и могут вызывать непрогнозированные размывы в нижнем бьефе.
Условие возникновения катящихся волн не выполнено следовательно происходит образование катящихся волн.
Для борьбы с этим явлением рассматриваем применение продольных стенок формирующих «струйный быстроток». Число продольных стенок увязываем с числом быков регулятора водосброса и принимаем их число одинаковым.
Тогда должно соблюдаться условие:
Условие выполняется.
Минимальная высота боковых стенок определяется по формуле:
где а - конструктивный запас принимаемый для Qфпу = 1141 м3с равным
Ширину боковых стен поверху назначаем равной 05 м. Лицевая поверхность стен выполнена вертикальной а тыловая грань со стороны грунта обратной засыпки устраиваем с коэффициентом заложения откоса mб=0125.
Толщина боковых стен на уровне днища bн будет равна:
bн = bв+ hст mб = 05 + 115О125 = 06 М (3.30)
Толщину днища быстротока определяем по формуле В.М. Домбровского:
tд= (003 0035)а* vh = 0033 151431 045= 05 м (3.31)
Таким образом ширина быстротока по основанию bосн становится известной:
bосн = bб + 2bн = 18+2О6 = 192 м (3.32)
Предварительно назначаем отметку дна водобоя равной отметке рисбермы равной отметке дна реки:
Рисунок 3.5 - Расчетная схема водобойной стенки
Для определения типа сопряжения потоков вычисляем параметр кинетичности Пк в сжатом сечении и в нижнем бьефе.
Для русел прямоугольного сечения:
Рисунок 3.4 – Поперечный разрез быстротока
Так как Пкс =51 03 > 1; Пкг О18 1 следовательно в нижнем бьефе происходит переход из бурного состояния в спокойное посредством гидравлического прыжка.
Основными расчетными параметрами гидравлического прыжка являются первая и вторая сопряженные глубины. Так как концевой участок начинается непосредственно после транзитной части - быстротока первая сопряженная глубина:
Вторая сопряженная глубина определяется из зависимости:
Исходя из того что hc=433 м >h6 = 295 м то прыжок отогнанный.
Необходим гаситель энергии.
Применим в качестве гасителя энергии водобойную стенку
3.5.3. Расчёт водобойной стенки
Так как водобойная стенка работает как водослив практического профиля прямолинейного очертания используем уравнение расхода:
Выражаем напор на стенке:
Где п - коэффициент подтопления. Принимаем в первом приближении n = 1;
m - коэффициент расхода. Для водослива практического профиля криволинейного очертания принимаем m=041 (таблица 22.7 [1]);
- коэффициент бокового сжатия. Ширину водобоя примем равной ширине быстротока следовательно =1.
Высота стенки определяется по формуле:
где зт- коэффициент затопления прыжка. Примем зт = 1 1.
Ширина стенки: s0 5 Н0 1 = 12 м.
Уточняем коэффициент подтопления во втором приближении:
Сравниваем h1 и h6. Находим первую и вторую сопряжённые глубины используя метод Агроскина. Вычисляем вспомогательную функцию:
где - коэффициент скорости. Из курса гидравлики примем = 085 так как водослив практического профиля прямолинейного очертания.
Е0 - удельная энергия верхнего бьефа относительно нижнего.
Для Ф(с1 ) = 0714 получаем с1 = 0178;с1= 0567 (таблица П ХХ [2])]
Исходя из того что hс1 = 274 м h6 = 295 м прыжок надвинутый. Расчет второй водобойной стенки не требуется.
Длина гидравлического прыжка:
Высоту боковых стенок водобоя определим по формуле:
где а - конструктивный запас примем а= 05 м
Толщина плиты водобоя определяется по формуле:
Общая длина крепления:
Длину крепления найдем из формул Кумина:
Принимаем наименьшую глубину крепления lкреп = 349 м.
lрисб = lкреп – 1вод = 349 - 104 = 245 М
Ширину рисбермы примем равной ширине водобоя: bрисб = bвод = 18 м
За рисбермой может происходить размыв грунта. Глубину воды в яме
размыва определим по формуле:
где К - коэффициент учитывающий параметры концевого участка. В данном проекте примем К=12 учитывая наличие простого гасителя энергии на водосбросе;
qp - удельный расход рисбермы. Так как ширина рисбермы равна ширине водобоя
Vнеp.h= l м - допустимая неразмывающая скорость. По таблице П31[1] для супеси
Глубина размыва определяется по формуле:
Для недопущения размыва конца крепления рисбермы укрепи м зубом из каменной наброски под последним рядом плит. Максимальное заглубление зуба положим на 05 м ниже глубины размыва.
За концевой частью рисбермы происходит размыв грунта. Глубина размыва не превышает 1 2 м. Такой размыв можно считать рационально допустимым за небольшим водосбросом а выбранный расход в нижнем бьефе является приемлемым конструкция быстротока наиболее выгодно рассчитана с экономической точки зрения.
Кроме водосбросных сооружений в составе гидроузла должно быть предусмотрено сооружение для пропуска строительных расходов и водовыпуск для подачи воды потребителю. При использовании водовыпуска для полного или частичного опорожнения водохранилища а также для пропуска строительных расходов или полезных попусков в нижний бьеф сооружение располагаем примерно на отметке дна русла реки.
В задании на проектирование в таблице 2 в колонках 5 и 6 приведены расходы соответственно сооружения для пропуска полезных попусков и водозабора. В курсовой работе примем концепцию объединения этих сооружений в одно которое должно обеспечить забор из водохранилища и пропуск суммарного расхода Q в нижний бьеф:
Расчет производится по формуле напорного режима течения потока в трубе водовыпуска:
где - коэффициент расхода определяемый по зависимости:
i - коэффициенты сопротивления на вход задвижку выход повороты
сужения и расширения т.е. местные сопротивления и потери по длине. В курсовой работе можно принять коэффициент расхода = 06;
- площадь поперечно сечения трубы донного водовыпуска; z-напор.
Величина напора на донном водовыпуска рассчитывается следующим
Диаметр вычисляется по формуле:
Принимаем d = 07 м одну нитку труб.
Проверяем возможность пропуска Qстр через водовыпуск
Q = О6 О38 2 981 663 = 26 м3с
Q = 26 м3с Qстр = 78 м3с следовательно проектируем трубчатое сооружение для пропуска Qcтp трубы.
где n - коэффициент шероховатости n = 0017
УМОвп = дно+ hп + ilтp = 99 + 16 + О00321097 = 10095м
Гр ВП = УМОвп + а = 10095 + 10 = 10195 М
УВ НП = дно+ hп= 99 + 16 = 1006 м
вх = (вых)дно + ilтp = 99 + 035 = 9935 м
В.И. Волков А.Г. Журавлева О.Н. Черных «Проектирование сооружений гидроузла с грунтовой плотиной». Учебное пособие М.МГУП2007г.243с.
СНиП 33-01-2003 «Гидротехнические сооружения. Основные
положения». Госстрой России. ФГУП ЦПП - М.: 2004.
СНиП 2.06.05.-84*. «Плотины из грунтовых материалов». Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР 1991.
СНиП 2.02.02-85. «Основания гидротехнических сооружений».
Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР 1988.
СНиП 2.06.04-82*. «Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые ледовые и от судов)». Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР 1989.
Гидротехнические сооружения. Учебное пособие для вузов под
редакцией Н.П. Розанова - М.: Агропромиздат 1985.
Штеренлихт Д.В. Гидравлика. - М.: Колосс 2004.