Гидроузел с плотиной из грунтовых материалов

 - коэффициент надежности по ответственности сооружений, определяемый по СНиП 2.06.01.86 в зависимости от класса сооружений; для IV класса сооружений .

Наибольший действующий градиент напора в теле плотины в ее русловом сечении определяется по зависимости:

где: Н- напор на плотине;

L - расстояние между урезом воды в верхнем бьефе и началом дренажа (при отсутствии воды в нижнем бьефе);

 - глубина в верхнем бьефе.

Величина критического осредненного градиента,  определяется в зависимости от типа грунта по таблице 6 (для однородных плотин принимается по колонке 4):

Таблица 6

Величина критического осредненного градиента,

Принимаем = 1,1.

Фильтрационная прочность тела плотины обеспечена.

2.2.9.2 Оценка фильтрационной прочности основания плотины

Фильтрационная прочность основания плотины оценивается в соответствии со СНиП 2.02.02-85. Основания гидротехнических сооружений по условию:

где: - средний градиент напора в основании плотины;

- осредненный критический градиент напора (табл.3 СНиП 2.02.02-85).

Средний градиент напора в основании плотины в ее русловом сечении определяется по зависимости:

где: - ширина плотины по основанию, измеряемая от подошвы верхового откоса до начала дренажа;

 - глубина в нижнем бьефе;

 - заглубление расчетного водоупора (при отсутствии данных о положении реального водоупора в проекте принять

).

Величина допустимого осредненного градиента,  определяется в зависимости от типа грунта по таблице 7:

Таблица 7

Величина критического осредненного градиента,

Принимаем = 0,6

Фильтрационная прочность основания плотины обеспечена.

2.2.10 Расчёт устойчивости низового откоса плотины

Разрушение грунтовых плотин часто происходит из-за разрушения низового откоса, которое согласно наблюдениям происходит по криволинейной поверхности, происходящей в теле плотины или с захватом основания, по приведенным ниже схемам.

Обрушение грунтового массива откоса происходит при неблагоприятном сочетании нагрузок, когда сумма сдвигающих сил при неблагоприятном сочетании нагрузок превышает сумму удерживающих сил. Сдвигающие силы – составляющая собственного веса грунта уменьшает устойчивость откосов.

Удерживающие силы: сила внутреннего трения и сцепления грунта.

Целью расчёта является нахождение из всех возможных поверхностей сдвига наиболее опасной призмы обрушения, путем определения минимального отношения обобщенных сил сопротивления  к сдвигающим силам , т.е.

.

Допущения в теории:

Рассмотрим плоский случай (ширина участка 1 м, обрушение идет строго по расчетной дуге). Для решения вопроса устойчивости используется только одно условие: .

Для начала строится область нахождения центров поверхностей сдвига, в которой находится центр вращения и из него проводится кругло-цилиндрическая поверхность сдвига. Определение этой области выполняем по методу Фандеева В.В., в котором рекомендуется центры кругло-цилиндрических поверхностей сдвига располагать в криволинейном четырехугольнике, образованном следующими линиями, проведенными из середины откоса через точку G: вертикалью и прямой под углом 85° к откосу, а также двумя дугами радиусов  и , где  и  - коэффициенты внутреннего и внешнего радиусов, определяемые в зависимости от заложения откоса.

Для этого из середины низового откоса проводим вертикальную линию и прямую под углом 85° к откосу. По данным на [3], стр. 138, для  устанавливаем значения коэффициентов ,  и вычисляем радиусы  и .

Дуги найденных радиусов также проводим из середины низового откоса. Построенный таким образом криволинейный четырехугольник представляет собой область наиболее вероятных центров кривых сдвига.

Поверхность сдвига на поперечном профиле плотины представляет собой дугу окружности радиуса R, проведенную из центра скольжения О таким образом, чтобы она пересекала гребень плотины и захватывала часть основания. При этом граница кривой сдвига на поверхности основания обычно не выходит за пределы 2Нпл во внешнюю сторону от подошвы откоса. Значение коэффициента устойчивости откоса для некоторой кривой сдвига вычисляют в следующей последовательности:

Область, ограниченную кривой сдвига и внешним очертанием плотины (массив обрушения) разбиваем вертикальными прямыми на отсеки шириной . Величину  принимаю равной , центр нулевого отсека размещаю под центром кривой сдвига, а остальные отсеки нумеруют с положительными знаками при расположении их вверх по откосу и с отрицательными – вниз к подошве плотины, считая от нулевого (рисунок 11).

Для каждого отсека вычисляем  и , где  - угол наклона подошвы отсека к горизонту. При  значение

,

где - порядковый номер отсека с учетом его знака:

.

Определяем средние высоты составных частей каждого отсека, имеющих различные плотности:  – высота слоя грунта тела плотины при естественной влажности;  – высота слоя грунта тела плотины при насыщении водой;  – высота слоя грунта основания при насыщении водой.

Расчет сводим в таблицу 8.

Таблица 8

Определяем приведенные высоты отсеков.

где - плотность влажного грунта №1

где - плотность частиц грунта,

 - коэффициент, учитывающий влажность грунта.

 и  - плотность грунтов №2 и №3, насыщенных водой,

где

 - плотность воды в ,

 - соответственно пористость грунтов №2 и №3 в долях единицы; ,

Угол внутреннего трения  зависит от вида грунта и его влажности в зоне кривой сдвига. Устанавливается для грунтов, в которых происходит поверхность скольжения в пределах каждого отсека. При нахождении этих грунтов ниже кривой депрессии эти значения снижаются в курсовом проекте на 10-30%. Там, где поверхность скольжения в пределах одного отсека происходит в различных грунтах, угол внутреннего трения следует принимать как средневзвешенный :

Определяем коэффициент устойчивости:

где - сила сцепления, возникающая на подошве массива обрушения

где, ,  - удельное сцепление грунтов №1, №2 и №3;

, ,

, ,  - длины поверхности скольжения в пределах участка, соответственно грунтов №1, №2 и №3;

где - угол в градусах, соответствующий участку поверхности скольжения длиной L.

Углы , ,  измеряем по чертежу:

Сила сцепления

где  - удельные сцепления грунта тела сухого, насыщенного водой, насыщенного водой основания.

Сила трения

Касательная составляющая веса

Фильтрационная сила

 = 1 , ,

=

Вывод: Обрушения откоса по рассматриваемой поверхности сдвига невозможно.

2.2.11 Оценка осадки гребня плотины

Расчеты осадки плотины ведутся методом послойного суммирования, при этом вычисляется стабилизированная осадка для заданной глубины сжимаемого слоя грунта основания, а при неограниченной мощности его расчет ведется для активной зоны.

Расчет осадки тела и основания плотины проводят для определения требуемого строительного подъема плотины, а также для уточнения объема работ по ее возведению.

ГПстр = ГП + Sпл;

S = Sт.пл. + Sосн.

Согласно СНиП 2.06.05—84, для плотин III и IV класса допускается оценивать осадку плотины по приближенной формуле, где суммарная осадка тела плотины в русловой части: S = 0,01.Нпл, причем осадка определяется как осадка наибольшая, наблюдаемая в русловой части.

В курсовом проекте осадкой основания плотины Sосн. пренебрегаем, так как она значительно меньше осадки тела плотины Sт.пл.:

Sт.пл. << Sосн. => S = Sт.пл.

Вычисляем осадку плотины:

S = 0,01.Нпл = 0,01.14,3 = 0,143 м.

Далее находим строительную отметку гребня плотины:

ГПстр = ГП + S = 114,3+ 0,143 = 114,443 м.

3. Проектирование водосброса

При грунтовых плотинах для пропуска расходов половодья и дождевых паводков во избежание переполнения водохранилища, для пропуска льда, шуги, мусора из верхнего бьефа в нижний устраивают водосбросные сооружения. Выбор типа водосброса и его трассы обычно выполняется на основании технико-экономического сравнения различных вариантов.

Работа по проектированию водосбросного тракта в курсовом проекте начинается с выбора трассы водосброса на генплане гидроузла, после того как плотина в принципе запроектирована.

До начала проектирования водосброса необходимо вписать плотину из грунтовых материалов в местность.

3.1 Выбор типа водосброса

При разработке дипломного и курсового проекта выбор типа водосброса и его трассы производится на основании сравнения достоинств и недостатков различных вариантов водосброса с учётом исходных данных: расчётного максимального и строительного расходов, возможной форсировки уровня водохранилища, топографических, геологических условий, а так же высоты и типа плотины.

Классификация водосбросов.

1.     По расположению в узле сооружений: водосбросы в теле плотины; водосбросы береговые (вне тела плотины)

2.     По типу оборудования водосливной части: регулируемые; нерегулируемые (автоматические)

3.     По конструктивному оформлению: трубчатые; береговые; открытые; сифонные; траншейные; шахтные; туннельные

Учитывая большое разнообразие водосбросных гидротехнических сооружений и невозможность детального изучения каждого из них в рамках данной работы, в дальнейшем рассмотрим один из самых распространенных типов водосбросов при грунтовой плотине - вариант открытого берегового водосброса.

3.2 Выбор и назначение трассы берегового открытого водосброса

В состав открытого берегового водосброса в общем случае могут входить следующие сооружения:

•        подводящий канал с ледоудерживающим устройством,

•        сбросной регулятор или в случае нерегулируемого водосброса - водослив, отметка гребня которого расположена на отметке НПУ,

•        сопрягающий (сбросной) канал,

•        сопрягающее сооружение (быстроток или консольный перепад),

•        концевое устройство водосброса (элемент входящий в водосброс),

•        отводящий канал.

В зависимости от рельефа и протяжённости трассы в составе сооружений может не быть сбросного канала.

При выборе и назначении трассы берегового открытого водосброса необходимо учитывать особенности рельефа местности, а также характер грунтов, залегающих на трассе. Грунты из выемок водосбросных сооружений рекомендуется по возможности укладывать в тело плотины. Обычно выемки грунта на верхнем участке трассы используются в качестве резерва для насыпи плотины. Трассу водосброса следует проектировать таким образом, чтобы основанием его элементов служили достаточно прочные коренные грунты. При прохождении трассы на пучинистых грунтах для обеспечения устойчивости элементов водосбросного сооружения при воздействии сил морозного пучения необходимо принимать дополнительные меры, обеспечивающие надежную работу водосброса, но удорожающие его строительство. Размещение элементов водосброса на насыпных грунтах не рекомендуется.

С точки зрения планового размещения трассы должны соблюдаться следующие критерии:

1. Наименьшая протяжённость.

2. Как правило, отсутствие или, в случаях крайней необходимости, наличие минимального количества поворотов.

3. Расстояние между концевой частью водосброса и подошвой низового откоса плотины не должно быть менее 20…40 м.

4. Выходящий из водосброса поток должен сопрягаться под возможно более острым углом с осью русла реки.

5. Трасса водосброса должна проходить перпендикулярно преимущественному направлению горизонталей берегового склона в нижнем бьефе. При прохождении трассы водосброса по косогору ширину водосброса необходимо делать минимально возможной.

6. Желательно, особенно для регулируемого водосброса, чтобы ось дороги по гребню грунтовой плотины была перпендикулярна оси водосбросного тракта.

7. Трасса водосброса не должна пересекать формы рельефа с проявлением эрозионных явлений (балки, овраги) и участки с оползнями, а проходить вблизи их. Иногда для уменьшения длины водосброса можно смотреть сброс воды в существующие лощины, балки или овраги.

3.3 Проверка возможности выполнения нерегулируемого варианта водосброса

Так как более надежным с точки зрения эксплуатации является нерегулируемый водосброс (отсутствие затворов и подъемников, независимость от человеческого фактора), то в начале проверяется возможность устройства нерегулируемого входного оголовка водосброса с неподтопленным водосливным порогом на отметке НПУ (см. расчетную схему на рис. 12). Для этого устанавливается длина (ширина) водосливного фронта (L), необходимая для пропуска поверочного расчетного расхода  (колонка 1 таблицы пункта 2 задания на проектирование) при форсированной отметке верхнего бьефа (ФПУ).

 – максимальный расход водослива; .

т - коэффициент расхода, который зависит от типа водослива в поперечном сечении и его планового очертания; предварительно можно принимать для водослива с тонкой стенкой - 0,4;

- напор на пороге водослива с учётом скорости подхода , определяемый по формуле:

На данной стадии курсового проекта скоростью подхода  можно пренебречь, т.е. принять ;

- напор на пороге водослива. Для нерегулируемого водосброса:

Если , то окончательно принимаем входную часть в виде водосливной стенки. Если , то принимаем водосброс с регулятором во входной части. В этом случае ширина регулятора принимается равной ширине быстротока.

 - удельный допустимый расход, зависит от грунта, для супеси =4.

Т.к. , то окончательно принимаем входную часть в виде водосброса с регулятором во входной части подводящего канала.

3.4 Гидравлический расчёт водосбросного сооружения

3.4.1 Назначение габаритных размеров (ширины и числа пролетов) регулятора водосброса

Проектирование элементов водосброса обычно начинают с назначения удельных расходов  за сопрягающим сооружением (предполагаем, что это будет быстроток), которые принимаются в зависимости от способности грунтов за концевым устройством водосброса сопротивляться размывающему действию потока и глубины в отводящем русле. Эти удельные расходы устанавливаются на основании опыта безопасной эксплуатации и в предположении, что , могут быть приняты в курсовом проекте .

Общая ширина водосливного фронта регулятора определяем по формуле:

Назначаем число и ширину пролётов регулятора так, чтобы примерно соблюдалось условие:

=

 - число пролётов;

- ширина одного пролёта

 - толщина быков регулятора.

Ширина пролета , число пролетов .

Толщина быков  регулятора зависит от типа затворов, ширины пролётов, высоты быков. Для наиболее распространённых плоских затворов толщина быков в указанном диапазоне пролётов может быть приближенно установлена по формуле:

 или по формуле , где

 - глубина паза

- межпазовое расстояние.

Принимаем =0,15м, =0,2м.

Следовательно, ширина регулятора и быстротока принимаем равной B=2,5м.

3.4.2 Определяем отметку порога

Отметку порога регулятора  можно определить из выражения:

где: H – напор на пороге, рассчитываемый по формуле:

 - скорость подхода потока к водосливному порогу.

Значение  определяют методом последовательных приближений.

 - коэффициент бокового сжатия, =0,95

 - коэффициент расхода водослива (как для водослива с широким порогом =0,36)

 - коэффициент подтопления (=1, предполагая, что за регулятором будет размещён быстроток)

Определив величину  устанавливают значение коэффициента бокового сжатия, например, по формуле Замарина Е.А.:

 - коэффициент, учитывающий влияние очертания входной кромки быков; при чаще всего применяемом получиркульном очертании входной кромки быков =0,11.

Оставляя первоначально принятые значения коэффициента расхода и коэффициента подтопления, можно уточнить величину  при уточнённом значении коэффициента бокового сжатия.

Затем следует определить геометрический напор на пороге водослива H.

м

После этого определяем отметку порога по формуле:

Затем следует определить высоту затвора с учётом того, что верхняя кромка затвора должна превышать НПУ не менее, чем на 0,2м. Рассчитываем высоту затвора:

3.4.3 Конструирование и расчёт подводящего канала

Для подвода воды к входному оголовку берегового водосброса устраивают короткие подводящие каналы с нулевым или обратным уклоном дна. На участках канала, где скорость потока превышает допустимую на размыв для грунта дна и откосов, каналы закрепляются одеждами из каменной наброски, щебня, габионов, бетонных плит. Традиционным для береговых водосбросов является применение обратных стенок, выполняемых с роспуском в сторону верхнего бьефа с центральным углом не более 30 градусов.

Ширина канала по дну:

 - длина роспуска обратных стенок.

Скорость воды в канале:

 - площадь живого сечения канала,

Т.к. скорость воды в канале меньше допустимой на размыв, то канал крепится только на подходе к сопрягающим элементам на длине 2…3м.

3.4.4 Выбор типа сопрягающего сооружения

Средний уклон сопрягающего сооружения:

 - расстояние между точками А и В (измеряется вдоль линии АВ при неискажённом масштабе)

При данном уклоне отдаём предпочтение быстротоку в качестве сопрягающего сооружения.

Определяем критическую глубину:

Так как быстроток всегда трассируется с уклоном, превышающим критический (), то в начале быстротока (точка А) устанавливается критическая глубина потока (), которая для прямоугольного русла определяется по зависимости:

где - коэффициент, учитывающий распределение скоростей по сечению (коэффициент Кориолиса), ;

 - удельный расход на быстротоке, м3/с/на 1 п.м.,

 - угол наклона к горизонту лотка быстротока (при уклонах менее 0,15 углом наклона к горизонту лотка быстротока можно пренебречь и принять )

 - ширина быстротока, принимаемая обычно равной ширине регулятора

При длинных быстротоках  принимаем движение потока равномерным. Задачу решаем методом подбора по уравнению Шези.

Определение нормальной глубины потока  на быстротоке:

Нормальная глубина на быстротоке, соответствующая равномерному режиму течения потока, рассчитывается методом последовательного приближения по формуле Шези, которая для прямоугольного поперечного сечения применительно к принятым условным обозначениям имеет вид:

,

Где R - гидравлический радиус, определяемый по выражению:

,

 — площадь живого сечения потока:

,

 - смоченный периметр потока:

,

С - коэффициент Шези, определяемый по формуле:

,

п - шероховатость поверхности дна и стенок быстротока (в курсовом проекте можно принять для бетонных поверхностей п = 0,015).

i - уклон быстротока на рассматриваемом участке,

 - расстояние между точками А и В (измеряется вдоль линии АВ при неискаженном масштабе

Нормальная глубина на быстротоке h0 может быть найдена также графоаналитическим методом. Суть этого метода заключается в построении графика зависимости  после заполнения вспомогательной таблицы 7.

Задаваясь глубинами воды ,  и т.д. определяют соответствующие им расходы и строят график.

Таблица 7

График зависимости расхода от глубины

Q=f(h)

По графику определяем при

 - h0=0,33 м.

Оценка возможности возникновения в лотке быстротока катящихся волн и меры по предупреждению их образования:

На быстротоках большой длины при значительной ширине быстротока по отношению к глубине воды происходит потеря устойчивости потока с образованием катящихся волн. Эти волны могут превышать в 2...3 раза глубину потока, выплескиваться за боковые стены, они ухудшают режим сопряжения бьефов и могут вызывать непрогнозированные размывы в нижнем бьефе. Катящиеся волны могут образовываться при невыполнении условия:

Проверка на выполнение условия образования катящихся волн.

волны не будут образовываться.

Определяем строительную высоту стенок (стен, устоев) быстротока:

где - конструктивный запас над свободной поверхностью аэрированного потока,

Ширина боковых стен поверху =0,4м. Толщина днища быстротока .

Толщина боковых стен на уровне днища  будет равна:

 - коэффициент заложения тыловой грани со стороны грунта обратной засыпки.

Схема поперечного сечения быстротока изображена на рис.

3.5 Расчет устройства нижнего бьефа

В первую очередь назначается консольной плиты (конс) таким образом, чтобы она превышала на 0,5…1,0м максимальный уровень нижнего бьефа, что обеспечивает в большинстве случаев необходимую дальность отброса струи.

=102,7+1м=103,7м.

Назначение конструктивных параметров консоли.

Для расчёта параметров потока на сходе с консоли, определения траектории струи и величины размывов в нижнем бьефе необходимо предварительно назначить параметры консоли. Боковые стенки консоли устраиваются вертикальными. Целесообразно вдоль боковых стенок поверху уложить плиту служебного мостика для осмотра консоли, её очистки и ремонта. Длина консоли назначается обычно в пределах 6…10м.

Ширина консоли на входе  принимается равной ширине быстротока в его концевом сечении . По направлению течения потока консоль расширяющаяся.

Угол расширения боковых стен консоли:

 - скорость в конце быстротока:

 -

глубина потока в конце быстротока.

Скорость потока в конце консоли:

 - ширина консоли на выходе, определяемая для расширяющейся консоли:

Длина отлёта струи при отсутствии трамплинов:

Расчёт глубины размыва за консолью.

Угол входа струи:

 - превышение консоли над уровнем УНБmax.

Скорость потока на входе в нижний бьеф

Удельный расход в месте падения струи:

 и  - ширина и толщина струи в месте падения на поверхность нижнего бьефа.

Длина растекания струи определяется по зависимости Замарина Е.А.

 - допускаемая скорость, устанавливаемая по выражению:

Глубина воды в воронке размыва:

Глубина размыва непосредственно грунта, отсчитываемая от отметки дна русла реки (отводящего канала):

Отметка дна ямы размыва определяется по выражению:

Отметка низа свай с учётом их стандартной длины принимается в соответствии с соотношением:

4. Проектирование водоспуска

Водоспуски используют для постоянных полезных попусков из водохранилища в нижний бьеф, диктуемых водохозяйственными и санитарными требованиями; для полного или частичного опорожнения водохранилища в заданный срок в целях ремонта сооружений, расположенных в верхнем бьефе; для частичного промыва наносов, отложившихся перед сооружением. Входное отверстие водоспуска располагают на отметках, обеспечивающих возможность сработки водохранилища до заданного уровня, т.е. на дне русловой части.

,

гдеQ – расход полезных попусков, Q- 0,5 м3/с;

 – коэффициент расхода водоспуска,

щ – площадь поперечного сечения трубы;

z – напор,

.

Из этого уравнения определяем площадь поперечного сечения и диаметр трубы:

,  > 800 мм

Прокладываем две нитки труб. При этом в затворной камере в нижнем бьефе обе нитки могут объединяться для возможности, при необходимости, их совместного использования.

5. Расчёт пропуска строительных расходов

Схема пропуска строительных расходов зависит от компоновки гидроузла, типа плотины, гидрологических характеристик водотока, топографии, геологии и других особенностей створа. В практике гидротехнического строительства существуют две основные схемы пропуска расходов в строительных период: по бытовому руслу реки без отвода её в сторону; с отводом реки в обход строящимся сооружениям, по каналам, лоткам, трубам, туннелям. Первая более характерна для широких створов и бетонных плотин. Вторая – предполагает более широкий фронт работ по возведению основных сооружений, но требует дополнительных затрат на устройство строительных водопроводящих сооружений. Выбор схемы пропуска строительного расхода осуществляют обычно на основе технико-экономического сравнения различных вариантов используемых сооружений.

Рис. 13. Схема.

1 – контур проектируемой плотины;

2 – труба, уложенная в траншею, на отметке дна реки;

- дорога, для проезда, .

.

Порядок строительства:

·на берегу, на расстоянии l, отрывается траншея, в которую, насухо, укладывается труба (галерея);

·отрывается подводящий и отводящий каналы: при этом  поступает как в русло реки, так и по искусственному, трубчатому руслу;

·русло перекрывается верхней перемычкой (при минимальном );

·возводится низовая перемычка;

·пространство между перемычками – котлован, осушается, при помощи насосов;

·срезается растительный грунт;

·начинается строительство плотины.

,

где  – инженерный запас, =0,8-1,0 м.

Чтобы принять , надо знать срок строительства плотины. Если срок строительства больше 1 года, то , если меньше года, то . В моем курсовом проекте ориентируемся на срок строительства меньше 1 года, значит , глубина в реке при этом расходе . Строительство начинается сразу после весеннего паводка.

Тогда, отметка низовой перемычки получается

 = 0,7+1,0=1,7 м.

Срок строительства по формуле

,

где V- объем самого крупного объекта строительства, в моем случае это плотина; П – производительность строительной организации. П=200 м3/сут.

Объём плотины

,

где - площадь поперечного сечения плотины в русловой части, приблизительно определяемая по зависимости:

 и  - осредненные значения коэффициентов заложений верхового и низового откосов плотины;

 - ширина руслового участка реки, ;

 и  - длины, соответственно левобережного и правобережного примыкания плотины,  и .

Срок строительства равен:

 < 365 суток, значит

.

Найдём перепад уровней верхнего и нижнего бьефов, определяемый из формулы:

Список используемой литературы:

1. Учебное пособие «Проектирование сооружений гидроузла с грунтовой плотиной». В.И. Волков, А.Г. Журавлёва, О.Н. Черных. Москва, 2007г.

2. Учебник «Природоохранные сооружения», М.А.Попов, И.С.Румянцев. Москва: Колосс, 2005.

3. «Курсовое и дипломное проектирование по гидротехническим сооружениям». В.С. Лапшенков. Москва: «Агропромиздат», 1989.

Страницы: 1, 2, 3, 4