Гидроузел с грунтовой плотиной

Гидроузел с грунтовой плотиной

1. Проектирование грунтовой плотины

1.1 Выбор типа и профиля плотины

Выбор типа плотины из грунтовых материалов является определяющим при проектировании гидроузла и проводится на основе технико-экономического сопоставления ряда вариантов. На выбор типа плотины влияют различные факторы: климатические, топографические, гидрологические, геологические, а также назначение плотины и район, где она будет располагаться.

Грунтовые плотины — наиболее распространенный тип плотин, что объясняется возможностью полной механизации технологического процесса по возведению плотины, от разработки грунта в карьере до укладки его в тело плотины.

Для возведения тела плотины могут использоваться любые материалы, находящиеся в ближайшем карьере. К грунтовым плотинам применяются меньшие требования по деформируемости основания, нежели к другим типам плотин.

Исходя из геологических условий створа плотины, в основании которой залегает супесь, суглинок, мелкозернистый песчаник, и наличия местного строительного материала, представленного в виде супеси, суглинка и песчано-гравийного грунта, принимаю тип плотины — каменно-земляная с центральным ядром.

Возведение плотины будет происходить методом укатки.

Заложение откосов плотины: верхового — m = 2, низового — m = 2

1.2 Определение отметки гребня грунтовой плотины и расчёт крепления верхового откоса

Отметка гребня грунтовой плотины определяется исходя из следующих условий:

Так как в задании дан уровень НПУ, то отметка гребня грунтовой плотины определяется по формуле:

где

hнагt — высота ветрового нагона волны;

hнак.1% - высота наката волны 1%-ой обеспеченности;

d — запас, принимаемый равным, d 0.5 м.

Определение отметки гребня производится для расчетного случая при отметке НПУ и Vw — 1%, где Vw — скорость ветра над поверхностью водохранилища заданной обеспеченности.

1.2.1 Определение параметров волны 1%-ой обеспеченности

Среднюю высоту волныhd, м, и средний период волнТ, с, в глубоководной зоне необходимо определять по верхней огибающей кривой (рис. 1 СНиП 2.06.04−82, приложение 1, стр. 31). По значениям безразмерных величин gt/Vw и gL/Vw2 и верхней огибающей кривой необходимо определить значения и и по меньшим их величинам принять среднюю высоту и средний период волн.

;

здесь

t — продолжительность действия ветра, t = 6 час.;

L — длина разгона волны, L = 7 км;

Vw — скорость ветра,

По найденным значениям безразмерных величин gt/Vw и gL/Vw2 и по верхней огибающей кривой (рис. 1 СНиП 2.06.04−82, приложение 1, стр. 31) определяем значения и .

При gt/Vw = 9632 = 0.075, = 3,8;

при gL/Vw2 = 121,61 = 0,024 = 1,9.

Для определения средней высоты волныhd, м, и среднего периода волнТ, с, принимаем наименьшие из полученных значений = 0,024, = 1,9.

Тогда средняя высота волны hd, м, равна:

;

средний период волнТ, с:

.

Среднюю длину волнd, м, при известном значении Т = 4,3сек. Определяем по формуле:

;

.

Высоту волны i % - ной обеспеченности в системе hd, i, м, определяем путём умножения средней высоты волнhd, м, на коэффициент ki, принимаемый по графикам (рис. 2 СНиП 2.06.04−82, приложение 1, стр.32) для безразмерной величины gL/Vw2 = 121,61.

По найденным значениям коэффициента ki для волн 1% - ной обеспеченности ki = 2.07, определяем значения высот волн 1% - ной обеспеченности по формуле:

.

Высота волн при обеспеченности i = 1%:

;

Результаты вычислений сведём в таблицу 1.

Таблица 1

При этом требуется выполнение следующего условия:

d — средняя длина волны, d = 22,88 м;

H — глубина водохранилища, определяемая по формуле:

.

.

Условие выполняется, следовательно, расчётной является глубоководная зона и расчёт ведётся без учёта влияния дна на параметры волны.

1.2.2 Определение высоты нагона волны

Высоту ветрового нагона hнаг, м определяем по формуле

где

L — длина разгона волны, L = 6 км;

Vw — скорость ветра, Vw = 22 м/с.

H — глубина водохранилища, H = 35,3 м;

kw — коэффициент, принимаемый в зависимости от скорости ветра по таблицам СНиП 2.06.04−82 (приложение 1, стр. 29). При скорости ветра Vw = 22 м/с определяем бwугол между продольной осью водоема и направлением ветра, бw= 0, cosбw = 1

Высота ветрового нагона равна:

.

1.2.3 Определение высоты наката волны

Высоту наката на откос волн обеспеченностью 1% по накату (hнак.1%, м) для фронтально подходящих волн (h1%) при глубине перед сооружением H 2 h1% определяем по формуле:

где

h1% - высота волны 1% - ой обеспеченности, h1% = 2,44 м;

kr — коэффициент, учитывающий шероховатость крепления, принимаемый по таблице 6 (СНиП 2.06.04−82, стр. 7). При каменном креплении принимаем kr = 0.7;

kp — коэффициент, учитывающий проницаемость крепления верхового откоса, принимаемый по таблице 6 (СНиП 2.06.04−82, стр. 7). При каменном креплении принимаем kp = 0.5;

ksp — коэффициент, определяемый по таблице 7 (СНиП 2.06.04−82, стр. 6) в зависимости от скорости ветра и заложения откоса. При Vw = 20 м/с и m1 = 2 принимаем ksp = 1.4;

krun — коэффициент, определяемый в зависимости от пологости волны по графику (рис. 10, СНиП 2.06.04−82, стр. 7). Приd/h1% = 22,88/2,44 = 9,38 и m1 = 2 принимаем krun = 1.9.

.

1.2.4 Определение отметки гребня плотины

d — необходимый запас, принимаемый равным d = 0,711 м

НПУ — отметка нормального подпорного уровня, НПУ =149 м.

Принимаем отметку гребня грунтовой плотины Гр = 152 м.

1.2.5 Расчет и конструирование крепления верхового откоса

Вес камня, m, соответствующий состоянию его предельного равновесия от действия ветровых волн, необходимо определять по формуле:

сm — плотность камня, равная сm =2.72 т/м3;

kfr — коэффициент, принимаемый по таблице 12 (СНиП 2.06.04−82, стр. 8). При каменной наброске принимаем kfr = 0.025;

ctgц = 2.

;

Диаметр камня вычисляется по формуле:

В карьере нет столь крупного камня, поэтому рассматриваем крепление железобетонными плитами. Толщина железобетонной плиты определяется по формуле:

где

Принимаем толщину железобетонных плит крепления равной 32 см Нижняя граница крепления располагается на глубине Hкреп под УСВ:

Отметка низа крепления Так как откос крепится железобетонными плитами, то пересчитываем нагон волны.

где

h1% - высота волны 1% - ой обеспеченности, h1% = 2,44 м;

kr — коэффициент, учитывающий шероховатость крепления, принимаемый по таблице 6 (СНиП 2.06.04−82, стр. 7). При жб креплении принимаем kr = 1;

kp — коэффициент, учитывающий проницаемость крепления верхового откоса, принимаемый по таблице 6 (СНиП 2.06.04−82, стр. 7). При каменном креплении принимаем kp = 0.9;

ksp — коэффициент, определяемый по таблице 7 (СНиП 2.06.04−82, стр. 6) в зависимости от скорости ветра и заложения откоса. При Vw = 18 м/с и m1 = 2.5 принимаем ksp = 1.4;

krun — коэффициент, определяемый в зависимости от пологости волны по графику (рис. 10, СНиП 2.06.04−82, стр. 7). Приd/h1% = 22,88/2,44 = 9,38 и m1 = 2 принимаем krun = 1.9.

.

Определение отметки гребня плотины с учетом крепления откоса плитами.

d — необходимый запас, принимаемый равным d = 0 м т.к. на гребне плотины запроектирован парапет.

НПУ — отметка нормального подпорного уровня, НПУ = 149 м.

Принимаем отметку гребня грунтовой плотины Гр = 155 м.

1.3 Прогноз физико-механических свойств грунта

Проектирование профиля плотины тесно связано с выбранными характеристиками грунтов. 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. Главной характеристикой грунта является его плотность сложения, а для связного грунта — ещё и влажность.

При назначении удельного веса сухого сыпучего крупнообломочного грунта необходимо руководствоваться коэффициентом относительной плотности:

где max и min определяются в лабораторных условиях.

Определим максимальное и минимальное значение коэффициента пористости грунта (max и min, соответственно) по методике Маслова.

Удельный вес сухого грунта, соответствующего предельно рыхлому сложению сыпучего материала, может быть найден из условия:

A — эмпирический коэффициент, равный для горной массы A = 18.6 кН/м3;

p — процентное содержание достоверно определенных фракций в гранулометрическом составе грунта;

ч — удельный вес частиц грунта.

K — коэффициент, характеризующий гранулометрический состав грунта:

D1 и D2 — соответственно максимальная и минимальная достоверно определенные фракции;

qi — процентное содержание фракции i-го участка кривой гранулометрического состава;

d1i и d2i — соответственно максимальный и минимальный диаметр i-го участка кривой гранулометрического состава.

При этом имеется ввиду, что кривая гранулометрического состава для подсчета коэффициента K разбивается на n участков.

Зерновые составы грунтов карьеров представлены на рисунке 1.

1.3.1 Прогноз физико-механических свойств для горной массы

Горная масса, верхняя огибающая.

Принимаем для используемой из карьера горной массы показатель относительной плотности Iд = 0.9.

Зерновой состав разбиваем на 5 частей. За достоверно определенные диаметры D1 и D2 принимаем D10 = 0.2мм и D95 = 245 мм, что отвечает p = 85%.

Для первого участка:

d11 = 0.2мм, d21 = 1.5мм, q = 20%.

Для второго участка:

d12 = 1.5мм, d22 = 11 мм, q = 20%.

Для третьего участка:

d13 = 11 мм, d23 = 45 мм, q = 20%.

Для четвертого участка:

d14 = 45 мм, d24 = 190 мм, q = 20%.

Для пятого участка:

d15 = 190 мм, d25 = 245 мм, q = 5%.

.

.

— максимальный удельный вес сухого грунта, тогда

.

Определим действительный коэффициент пористости грунта:

— значение пористости для грунта тела плотины.

Удельный вес сухого грунта, который надо достичь при укладке:

.

Удельный вес грунта в предельно насыщенном водой состоянии:

Для оценки прочности крупнообломочного грунта часто используется не ц — угол внутреннего трения грунта и c — удельное сцепление, а угол сдвига — ш0.

Оценку влияния плотности укладки крупнозернистых грунтов можно делать по зависимости Рассказова:

a, k — эмпирические параметры;

— угол сдвига при ID 0;

ID — коэффициент относительной плотности, ID = 0.9.

По данным лабораторных и полевых экспериментов значения параметров a, k и зависят от вида грунта и могут для предварительных оценок принимать следующие значения: a = 10, k = 0.5, = 42.

.

В области инженерных нагрузок при нормальных напряжениях в основании плотины .

Горная масса, нижняя огибающая.

Принимаем для используемой из карьера горной массы показатель относительной плотности Iд = 0.9.

Зерновой состав разбиваем на 5 частей. За достоверно определенные диаметры D1 и D2 принимаем D5 = 0.6мм и D95 = 605 мм, что отвечает p = 90%.

Для первого участка:

d11 = 0.6мм, d21 = 4.5мм, q = 20%.

Для второго участка:

d12 = 4.5мм, d22 = 25 мм, q = 20%.

Для третьего участка:

d13 = 25 мм, d23 = 150 мм, q = 20%.

Для четвертого участка:

d14 = 150 мм, d24 = 385 мм, q = 20%.

Для пятого участка:

d15 = 385 мм, d25 = 605 мм, q = 10%.

.

.

— максимальный удельный вес сухого грунта, тогда

.

Определим действительный коэффициент пористости грунта:

— значение пористости для грунта тела плотины.

Удельный вес сухого грунта, который надо достичь при укладке:

.

Удельный вес грунта в предельно насыщенном водой состоянии:

Для оценки прочности крупнообломочного грунта часто используется не ц — угол внутреннего трения грунта и c — удельное сцепление, а угол сдвига — ш0.

Оценку влияния плотности укладки крупнозернистых грунтов можно делать по зависимости Рассказова:

a, k — эмпирические параметры;

— угол сдвига при ID 0;

ID — коэффициент относительной плотности, ID = 0.9.

По данным лабораторных и полевых экспериментов значения параметров a, k и зависят от вида грунта и могут для предварительных оценок принимать следующие значения: a = 10, k = 0.5, = 42.

.

В области инженерных нагрузок при нормальных напряжениях в основании плотины .

Далее строим график зависимости сопротивления сдвигу от нормального напряжения на площадке сдвига, принимая, что при = 0.5 МПа 0 = 42, = 1.0 МПа 0 = 36 (рис.2).

Прогноз физико-механических свойств для супеси.

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.

1) Определим оптимальную влажность:

влажность на пределе раскатывания,

2)Определим удельный вес супеси, который необходимо достичь при укладке:

— удельный вес воды,

— удельный вес суглинка, объём защемлённого в порах грунта воздуха,

3)Определим коэффициент пористости:

4) В зависимости от коэффициента пористости по таблице 7.1 на странице 144 учебника (под редакцией Л. Н. Рассказова «Гидротехнические сооружения» том 1) нужно выбрать параметры и — угол внутреннего трения, и удельное сцепление:

5) Определим коэффициент фильтрации для супеси:

— эмпирическая формула В. Н. Жиленкова,

влажность на пределе текучести

— удельный вес воды,

— удельный вес супеси,

1.4 Фильтрационные расчеты

Для того чтобы обеспечить надежность и экономичность сооружения, необходимо знать силы воздействия фильтрационного потока на плотину, положение депрессионной кривой, величины фильтрационного расхода и выходных градиентов в дренаж или на низовой откос.

Так как проектируемая плотина располагается на грунте, в котором фильтрация проходит в обход плотины, так как грунт основания имеет более высокий коэффициент фильтрации, чем ядро плотины. Устраиваем цементационную завесу.

Роль противофильтрационного элемента плотины выполняет центральное ядро.

В основании ядра устраиваем бетонную пробку для улучшения сопряжения ядра с основанием.

Ширину ядра поверху конструктивно принимаем. Верх ядра располагаем на отметке НПУ + 2 м на случай фарсировки, т. е. 151 м. Тогда высота ядра Hя = 37.3м. Ширина ядра понизу:

Принимаем ширину ядра понизу

Для решения задач по фильтрации в грунтовых плотинах существуют гидромеханические, гидравлические методы.

В учебнике содержатся готовые гидромеханические решения для различных типов плотин. В нашем случае, для плотины с отношением коэффициентов фильтрации упорных призм и ядра:

применима схема с центральным ядром на непроницаемом основании.

При таком соотношении коэффициентов фильтрации фильтрационные расчеты проводятся только для ядра плотины.

Фильтрационные расчеты проводятся когда уровень воды в нижнем бьефе минимален — НБmin = 114 м при Qпол. поп = 7 м3/с.

1.4.1 Построение депрессионной кривой

При соотношении коэффициентов фильтрации до ядра положение кривой депрессии будет на уровне верхнего бьефа (НПУ = 149м), а после ядра — на уровне нижнего бьефа.

В ядре ордината депрессионной кривой упадет на величину:

где — ширина ядра поверху;

— угол наклона грани ядра к основанию, = 76?

.

1.4.2 Определение выходных градиентов

Выходные градиенты в переходные зоны и фильтрационный расход определяются с помощью построения гидродинамической сетки. Она строится графическим способом. Гидродинамическая сетка представлена на рис. 3.

Построив сетку, определяем для набора точек выше уровня воды в нижнем бьефе выходные градиенты из ядра в переходные зоны по формулам:

максимальный в данной точке:

направленный перпендикулярно к откосу ядра:

направленный по касательной к откосу ядра:

где — угол выхода (угол между низовой гранью ядра и касательной к линии тока в месте выхода фильтрационного потока из ядра) — определяется по гидродинамической сетке.

Максимальный выходной градиент, .

1.4.3 Определение фильтрационного расхода

Проведя построения эпюры выходных градиентов (см. рис.3), определим удельный фильтрационный расход по формуле:

Где — площадь эпюры выходных градиентов;

Эпюра имеет криволинейный характер, ее площадь определяем с чертежа.

Площадь эпюры равна:

.

1.5 Подбор зернового состава переходных зон

Переходные зоны защищают грунт ядра от фильтрационных деформаций.

Существуют два расчетных случая:

— когда фильтром защищаются противофильтрационный элемент из глинистого грунта.

— когда фильтром защищается несвязный грунт.

При подборе зернового состава переходных зон по первому расчетному случаю, подбор ведется по двум условиям:

1) противофильтрационное устройство монолитно и опасности образования трещин нет, то есть исходя из условия недопущения контактного выпора в поры фильтра глинистого грунта ядра.

2) образование сквозных поперечных трещин в противофильтрационном элементе возможно и, следовательно, расчет и подбор фильтра необходимо производить из условия кольматации пор слоя фильтра частицами глинистого грунта противофильтрационного элемента.

При защите от фильтрационных деформаций песчаного грунта (например, слоев переходных зон), зерновые составы переходных зон подбираются из условия непросыпаемости грунта в поры упорных призм.

Общим требованием к грунту, отсыпаемому в слои переходных зон, является требование однородности

.

1.5.1 Подбор первого слоя фильтра

В данном случае переходными зонами защищаются противофильтрационный элемент из супеси, следовательно, подбор зернового состава этих зон производится по первому расчетному случаю.

1). Считаем, что ядро «монолитно» и опасности возникновения в нем трещин нет. Величина максимально допустимого градиента при контактном выпоре глинистого грунта без крупных включений может быть определена по формуле:

Ср — сцепление глинистого грунта на разрыв, определяемое по формуле:

1.1 Верхняя огибающая К3 — коэффициент запаса, в зависимости от класса капитальности сооружения принимается равным от 3 до 5.

— коэффициент пористости, = 0.155.

— диаметр частиц грунта первого слоя переходных зон 90%-ной обеспеченности.

Для первого класса капитальности К3 = 5.

Из величины максимального допустимого градиента можно определить диаметр частиц первого слоя переходных зон:

1.2 Нижняя огибащюая

2). Допускаем образование сквозной трещины в ядре плотины. При этом будет возможен вынос из ядра фильтрационным потоком по трещинам агрегатных частиц ядра. Чтобы не допустить при этом разрушения ядра подберем зерновой состав переходных зон так, чтобы его поры были закольматированы агрегатами глинистых частиц. То есть расчет ведем по условию кольматации первого слоя фильтра агрегатными частицами глинистого грунта.

Экспериментально установлено, что если:

то происходит процесс кольматации агрегатами. Зная влажность супеси на пределе текучести, определим по графику на рис. 12.8.(под редакцией Л. Н. Рассказова «Гидротехнические сооружения» том 1) отношение. Принимая (с запасом) для супеси, находим .

По методике ВОДГЕО, если обратный фильтр защищает связный грунт, некольматируемость фильтра определяется следующим условием:

т. е. кольматация фильтра имеет место при ,

где — коэффициент расслоения согласно рис. 2.20. (А. Л. Гольдин, Л. Н. Рассказов «Проектирование грунтовых плотин») при определяем .

Тогда диаметр частиц 60% - ой обеспеченности первого слоя фильтра:

Для того, чтобы в процессе отсыпки грунта переходных зон не происходило сегрегации, вводится условие, что коэффициент неоднородности. При таком значении, расслаиванием грунта можно пренебречь.

.

Определив из условия контактного выпора и по условию кольматации, проводим через эти точки линии, характеризующие гранулометрический состав с коэффициентом неоднородности. (кривая 3 на рис.4).

1.5.2 Подбор второго слоя фильтра

Второй слой фильтра подбирается по кривой гранулометрического состава, находящейся левее. Поскольку переходные зоны выполняются из несвязного грунта, то второй слой переходных зон подбирается из условия непросыпаемости грунта переходных зон в поры материала упорных призм.

Из условия (условие непросыпаемости) определим диаметр частиц второго слоя переходных зон.

Верхняя огибающая

.

Нижняя огибающая Проводим через эти точки линию, характеризующую гранулометрический состав второго слоя, с коэффициентом неоднородности .(кривая 4 на рис.4).

Первый слой последний, так как кривая 2 находится правее кривой IV.

1.5.3 Подбор третьего слоя фильтра

Третий слой фильтра подбирается по кривой гранулометрического состава, находящейся левее. Поскольку переходные зоны выполняются из несвязного грунта, то третий слой переходных зон подбирается из условия непросыпаемости грунта переходных зон в поры материала упорных призм.

Из условия (условие непросыпаемости) определим диаметр частиц второго слоя переходных зон.

Верхняя огибающая

.

Нижняя огибающая Проводим через эти точки линию, характеризующую гранулометрический состав второго слоя, с коэффициентом неоднородности .(кривая 5 на рис.4).

Второй слой последний, кривая III-го слоя находится правее кривой горной массы => III-й слой — не нужен.

1.6 Расчёт устойчивости откосов

Расчёт устойчивости производится по методу круглоцилиндрических поверхностей обрушения. Для этого производим разбивку поперечного сечения плотины на отсеки равной ширины (b = 5 м).

Искомый коэффициент запаса устойчивости равен:

.

где Мудерж — сумма моментов сил, удерживающих отсеки,

Мопр — сумма моментов сил, опрокидывающих отсеки.

Выражение для определения устойчивости откоса:

c — коэффициент условий работы, принимаемый равным 1;

n — коэффициент надёжности по степени ответственности сооружений, принимаемый равным, для I класса сооружений, 1.25.

ld — коэффициент сочетания нагрузок, принимаемый для основного сочетания нагрузок равным 1.0.

Расчёт предполагает, что неустойчивая часть откоса, отделившись от остальной устойчивой массы, оползает по некоторой цилиндрической поверхности. Размеры сползающей части откоса, называемой отсеком обрушения, зависят от величины радиуса R и положения центра О. Таких отсеков может быть множество и каждый из них характеризуется своим коэффициентом запаса устойчивости. Задачей расчёта является установление наименее устойчивого отсека обрушения и соответствующего ему коэффициента запаса путём определения устойчивости ряда отсеков обрушения и соответствующих им коэффициентов.

В данном курсовом проекте расчёт выполняется на основное сочетание нагрузок. Рассчитываем верховой откос при отметке воды в верхнем бьефе равной УСВ (1738 м), в нижнем — минимальной отметке — НБ min (1684 м). Расчёт минимального коэффициента устойчивости производим двумя методами:

1. На ЭВМ с помощью программы otkos386.exe. В результате введения данных о конструкции плотины программа производит расчёты коэффициентов устойчивости откоса с помощью метода расчёта по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения для множества центров и радиусов. В результате программа определяет центр поверхности скольжения и её радиус, для которых коэффициент устойчивости откоса будет минимальным. Результаты расчётов в виде таблиц и схем расчёта приводятся далее.

2. Вручную.

Расчётную схему для данной задачи можно представить в виде:

где Gn — собственный вес отсека,

PВ — сила порового давления,

Wn и Wn+1 — фильтрационное давление по боковым граням отсека, Еn и Еn+1 — давление грунта от рядом расположенных отсеков на боковые грани, Тn и Тn+1 — силы трения по боковым граням отсека, уn — нормальное напряжение по поверхности обрушения, фn — касательное напряжение по поверхности обрушения.

Целью ручного счёта является проверка коэффициента устойчивости для определённой машиной поверхности по формуле:

где

kуст — коэффициент устойчивости откоса;

Gi — вес погонного метра i-го отсека;

поровое давление определяется как:

;

i — угол между вертикалью и радиусом, проведённым в точку пересечения средних высот отсеков с кривой обрушения;

ci — удельное сцепление i-го отсека;

i — угол внутреннего трения i-го отсека;

li — длина дуги в основании i-го отсека.

Коэффициент устойчивости для основного сочетания нагрузок равен:

плотина грунт фильтрационный водосброс Произведём вручную расчёт коэффициента устойчивости верхового откоса на основное сочетание нагрузок для круглоцилиндрической поверхности полученной в машинном счёте и сведём результаты расчёта в таблицу 2. Расчётная схема представлена на рис. 5.

Расчёт устойчивости верхового откоса плотины с заложением 1:2 на основное сочетание нагрузок

(R = 67 м, ордината и апликата центра круглоцилиндрической поверхности обрушения равны, соответственно:, относительно осей координат, принятых при машинном счёте,). Таблица 2

Таким образом, коэффициент устойчивости откоса будет равен:

.

Условие выполнено, следовательно, устойчивость верхового откоса обеспечена.

При ручном счете коэффициент устойчивости равен kуст =1.31, что не сильно расходится с машинным счётом, при котором kуст =1.29, следовательно расчет произведен верно.

2. Гидравлические расчеты плотины

2.1 Определение габаритов строительного туннеля

Выбор типа водосбросного сооружения выбирают с учётом:

а. Типа плотины и напора на ней;

б. Паводковых и строительных расходов;

в. Общей схемы организации работ и пропуска строительных расходов;

г. Топографических, геологических и гидрогеологических условий в районе площадки гидроузла;

д. Эксплуатационных особенностей;

е. Данных технико-экономических сопоставлений.

На основании вышеизложенных пунктов, при высоте плотины 41.3м, напоре на плотину 35.3м, при нескальном грунте основания (песок р/з, супесь), при максимальных паводковом и строительном расходах, равных соответственно 1200 м3/с и 510 м3/с, принимаем строительную галерею с уклоном дна i = 0.002.

2.2 Расчёт пропуска строительного паводка

Qmax — расход, равный паводковому расходу Qпав = 510 м3/с, м — коэффициент расхода, в первом приближении принимаемый равным 0.8;

щ — площадь поперечного сечения строительной галереи

Нд — действующий на туннель напор

и максимальной глубиной перед перемычкой) и уровня воды в нижнем бьефе при пропуске строительного расхода.

Первое приближение:

;

отсюда площадь:

.

Примем b=11м и h=10м > щ = 110

Второе приближение: на основании принятых предварительных размеров (,) необходимо уточнить коэффициент расхода м по формуле:

Коэффициент сопротивления на вход принимаем жВХ = 0.1, т.к. радиус входного оголовка равен диаметру туннеля.

Коэффициент гидравлического сопротивления пазов для затвора равен:

;

где

l — толщина паза;

Коэффициент гидравлического сопротивления проема для затворов на потолке равен:

;

где

— толщина проема;

Коэффициент гидравлического сопротивления по длине:

;

где

— коэффициент сопротивления по длине, который определяется по формуле:

;

где

— относительная шероховатость

— гидравлический радиус галереи, который определяется по формуле:

— эквивалентная шереховатость Суммарный коэффициент гидравлического сопротивления равен сумме гидравлических сопротивлений, приведенных к выходному отверстию, т.к. тоннель постоянного сечения, то

Уточнение коэффициента расхода:

Отсюда площадь тоннеля во втором приближении равна:

.

Примем b=10м и h=9.5м > щ = 95

2.3 Расчет перекрытия русла

Расчёт перекрытия русла проводится с целью проверки допустимого перепада уровней воды перед создаваемой 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. Кроме того, в данном расчёте определяем уклон водосбросной трубы, через которую и пропускается расход перекрытия Qпер = 110 м3/с (в безнапорном режиме по всей длине галереи):

Величина Z определяется из формулы:

где

i — уклон дна водосбросной трубы,

L — полная длина тоннеля, равная 286 м,

— скоростной перепад на входе в тоннель.

— скоростной перепад на выходе из тоннеля.

Расход при перекрытии русла должен пропускаться в безнапорном спокойном режиме, уклон тоннеля должен быть меньше критического. Принимаем уклон тоннеля равным

Теперь значение вычисляем:

где

V0-скорость потока воды в верхнем бьефе перед плотиной

Vт-скорость потока воды в тоннеле.

Скорости потоков определяем из формул:

и ,

где щ1 — площадь потока воды в водохранилище, щ2 — площадь потока воды в тоннеле,

h0 — глубина потока воды в тоннеле (нормальная глубина),

Площадь потока в водохранилище определяется по топографическим данным при уровне воды, соответствующем расходу перекрытия

.

Для вычисления скорости потока в тоннеле требуется рассчитать нормальную глубину h0. Воспользуемся формулой Шези:

Для определения скорости движения потока в туннеле необходимо вычислить глубину потока в нём h0, воспользовавшись формулой расхода при равномерном движении жидкости:

где

Q — расход перекрытия русла, Q = 110 м3/с;

— площадь живого сечения потока;

R — гидравлический радиус, R = / ;

— смоченный периметр;

С — коэффициент Шези, по формуле Маннинга С = R1/6 / n;

n — коэффициент шероховатости туннеля, для каналов бетонированных в средних условиях n = 0.014;

i — принятый уклон туннеля, i = 0.002.

Выразим, С и R через h0, заменив круглое, частично заполненное, сечение трубы прямоугольным, и подставим полученное в формулу расхода:

d h0;

2h0 + d;

R = (d h0) / (2h0 + d);

С = ((d h0) / (2h0 + d)) 1/6 / n.

Таким образом

.

Глубину потока в туннеле h0 необходимо рассчитывать методом последовательных приближений. В первом приближении примем h0 = 2.0 м.

Первое приближение:

.

Второе приближение при h0 = 2.71 м:

.

Третье приближение при h0 = 2.36 м:

.

Четвёртое приближение при h0 = 2.51 м:

Пятое приближение при h0 = 2.44 м:

Шестое приближение при h0 = 2.48 м:

Седьмое приближение при h0 = 2.46 м:

Окончательно принимаем глубину потока в туннеле h0 = 2.46 м.

Средняя скорость течения в туннеле:

0 — площадь живого сечения потока в туннеле.

Средняя скорость в верхнем бьефе при подходе к туннелю:

б — площадь живого сечения потока в верхнем бьефе.

Перепад при входе потока в туннель:

.

Таким образом, перепад уровней z равен:

z = 1.40 + 0.002. 286 — 0 = 1.97м < zпред 2 м.

Условие выполнено, следовательно строительный водосброс может быть использован для пропуска расхода перекрытия.

2.4 Расчёт концевого участка строительного водосброса

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 выполняется, прыжок затоплен.

2.5 Расчет паводкового водосброса

Т.к. максимальный паводковый расход невозможно пропустить через трубчатую галерею рассчитанную для строительного периода даже при условии добавления галерей (невозможна эксплуатация галереи в безнапорном режиме при паводковом расходе, а устройство напорной трубчатой галереи невозможно по эксплуатационным особенностям), то необходимо выбрать тип паводкового водосброса.

В качестве паводкового водосброса принимает быстроток.

Быстротоками называются каналы с уклоном дна больше критического, сбрасывающие воды из верхнего бьефа в нижний. Он включает в себя:

— Водоприемник в виде водослива;

— Сбросная часть (быстроток);

— Концевой участок.

Трассу быстротока назначают с соблюдением следующих условий:

— всегда должен находится в выемке;

— трасса быстротока должна быть прямолинейной во избежание появления стоячих волн;

— повороты желательно осуществлять в спокойном режиме;

— длина водосброса и объём выемки грунта по возможности наименьшие;

— исключается подмыв сооружений гидроузла и берегов.

2.5.1 Подводящий канал

Из верхнего бьефа к головной части быстротока вода поступает, как правило, по подводящему каналу. Он должен обеспечивать равномерную (с одинаковым удельным расходом) подачу воды к водосливу при минимальных потерях напора. Обычно канал выполняют криволинейным и сужающимся в плане. Площадь поперечного сечения назначают из условия получения неразмывающих скоростей.

2.5.2 Головная часть

Головную часть быстротока выполняем в виде водослива с широким порогом. В период эксплуатации для сброса паводкового расхода будет использоваться быстроток, которому необходимо пропустить заданный расход в эксплуатационный период, Q = 1200 м3/с.

Выбор удельного расхода:

По допустимым скоростям:

допустимая скорость движения воды при котором не происходит размыва дна (для нескальных оснований? 3 м/с) глубина воды в нижнем бьефе при максимальном паводковом расходе Определяем ширину быстротока:

Конструктивно принимаем 3 пролёта шириной b = 8.5 м, разделённых быком шириной t = 2 м. Таким образом, ширина входного участка быстротока равна:

Bвх = 3b +2t = 3. 8.5 +3. 2 = 31.5м.

Скорость движения воды в быстротоке составит:

.

Определение напора на пороге водослива:

Напор на водосливе H определяется из формулы расхода:

m — безразмерный коэффициент расхода, различный для разных типов водосливов и для различных условий их работы, для водослива с широким порогом m = 0.35 0.38. Принимаем m = 0.35.

— коэффициент бокового сжатия потока, для быков округой формы.

Для прямоугольного русла шириной b с малыми уклонами критическая глубина определяется по формуле:

.

2.5.3 Быстроток

Длина быстротока:

i — уклон быстротока, принимается с учётом геологических условий и должен стремиться к естественному уклоны рельефа, при этом уклон лотка на нескальных грунтах i 0.2. Исходя из перечисленных условий, принимаем i = 0.11;

пор. — отметка порога и начала быстротока, пор. = НПУ — H = 149.0 -5.46= 143.54м;

дна — отметка дна реки, дна = 113.7м.;

.

Расчётное уравнение для построения кривых свободной поверхности для призматических русел с прямым уклоном i > 0 имеет вид:

i — уклон быстротока, i = 0.11;

l — длина заданного участка канала;

h0 — глубина равномерного течения при заданном максимальном расходе Qmax = 1200 м3/с;

2 и 1 — «относительные» глубины в конце и начале данного участка, определяемые по формулам:

2 = h2 / h0

1 = h1 / h0;

(2) и (1) — функции, зависящие от гидравлического показателя русла x;

— коэффициент кинетической энергии, коэффициент Кориолиса, для турбулентных потоков = 1.1;

С — коэффициент Шези, определяемый по формуле Маннинга:

n — коэффициент шероховатости быстротока, для каналов бетонированных в средних условиях n = 0.014;

R — гидравлический радиус, R = / ;

— площадь живого сечения потока, = Bhср;

— смоченный периметр, = B + 2hср;

hср = (h1 + h2) / 2;

Глубину потока при его равномерном движении в быстротоке h0 необходимо рассчитывать методом последовательных приближений по формуле:

В первом приближении примем h0 = 1.00 м.

Первое приближение:

.

Второе приближение при h0 = 1.67 м:

.

Третье приближение при h0 = 1.22м:

.

Четвёртое приближение при h0 = 1.48м:

.

Пятое приближение при h0 = 1.31м:

.

Шестое приближение при h0 = 1.41м:

.

Седьмое приближение при h0 = 1.35м:

.

Восьмое приближение при h0 = 1.39м:

.

Девятое приближение при h0 = 1.36м:

.

Десятое приближение при h0 = 1.38м:

.

Одиннадцатое приближение при h0 = 1.37м:

.

Окончательно принимаем глубину потока в быстротоке при равномерном его движении h0 = 1.37м.

Гидравлический показатель русла определяется по формуле:

h1 и h2 — любые, произвольно выбранные значения глубин;

— расходная характеристика, рассчитанная при этих глубинах.

При h1 = 0.5 м:

.

При h2 = 1.0 м:

.

h1 = 0.8hкр = 0.8. 5.46= 4.4м.

График кривой свободной поверхности представлен на рис. 4.

Рис. 4

Учет аэрации потока.

Т.е. разбухание потока при больших скоростях.

Сведем расчеты в таблицу

Т.к. влияние аэрирования начинается при длине быстротока больше 800 метров, а длина нашего быстротока 200 метр, следовательно аэрирование потока не учитываем.

Концевой участок

При выходе потока со сбросной части быстротока будет образовываться внезапный переход от глубин меньше критических к глубинам больше критических, т. е. гидравлический прыжок. Задача расчета — определить форму сопряжения бьефов, т. е. отогнан прыжок или затоплен, а, следовательно, установить необходимость устройства водобойного колодца за сбросной частью быстротока.

Глубина водобойного колодца определяется по формуле:

Кз — коэффициент запаса, равный 1,1;

Кгас — коэффициент, учитывающий эффективность ;

hразд — раздельная глубина, т. е. глубина, сопряжённая с глубиной сжатого сечения hсж; hсж — глубина сжатого сечения;

Поскольку мы принимаем, что на гасителях гасится около 15% избыточной энергии, коэффициент, учитывающий эффективность гасителей принимается равным 0,85.

Глубина сжатого сечения hсж принимаю равной глубине в конце сбросной части быстротока, определённой по кривой спада и равной hконечное = 1.5м.

Раздельная глубина определяется по формуле:

где Fr — число Фруда, определяемое следующей формуле:

=> сопряжение бьефов прыжкового вида.

— следовательно необходим колодец глубиной 2.8м.

Толщина водобойной плиты определяется расчетом устойчивости водобоя на сдвиг; на всплытие; на опрокидывание.

Длина прыжка определяется приближённо. По формуле Чертоусова длина прыжка равна:

LВП = 0,85· Lпр = 0.85 ?52.67=45.0м

2.6 Расчёт пропуска расхода полезного попуска

Пропуск полезного расхода, необходимого для поддержания в нижнем бьефе требуемого уровня воды. Расчёт заключается в определении диаметра трубы для пропуска расхода полезного попуска. Конструкция данного сооружения представляет собой забитую галерею, которая использовалась при пропуске строительного паводка и расхода перекрытия с металлической трубой необходимого диаметра.

Q — расхода полезного попуска Qпоп = 7 м3/с;

— коэффициент расхода, в первом приближении принимаем = 0.4;

— площадь поперечного сечения водовыпуска;

Hд — действующий напор, определяемый по формуле:

Hд = УСВ — НБ (Qпоп) = 140.0 -114.0= 26.0 м.

Площадь поперечного сечения туннеля определяем по формуле:

.

Таким образом, диаметр туннеля будет равен:

.

Уточнение коэффициента расхода производим по следующей формуле:

— сумма коэффициентов сопротивления, местных и по длине.

.

Коэффициенты сопротивления определяются по рекомендациям:

входа — коэффициент сопротивления при входе в туннель, при закругленных кромках и плавном входе принимаем входа = 0.2, при отношении =0.5;

выхода — коэффициент сопротивления при выходе из туннеля, выхода = 1;

длины — коэффициент сопротивления по длине туннеля, определяемый по формуле:

L — длина туннеля, L = 286 м;

R — гидравлический радиус, R = /, где

— площадь поперечного сечения туннеля;

— смоченный периметр, = d.

— коэффициент сопротивления по длине, определяемый по уравнению Шифринсона:

где — выступ шероховатости (?=1.0 мм — для металлического трубопровода со сварными швами) ;

— гидравлический диаметр;

Необходимый диаметр водовыпуска определяется методом последовательных приближений с постоянным уточнением коэффициента расхода. Дальнейший расчёт удобно произвести в табличной форме (таблица при известных значениях расхода попуска Qпоп = 7 м3/с, действующего напора Hд = 26.0м, длины туннеля L = 286.0м.

Окончательно принимаем диаметр водовыпуска d = 0.7м.

Библиографический список

1. СНиП 2.06.04−82. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). Москва, 1983;

2. Гидротехнические сооружения: учеб. для вузов. Часть 1 / Л. Н. Рассказов, В. Г. Орехов, Ю. П. Правдивец и др.; под. ред. Л. Н. Рассказова. — Москва: Стройиздат, 1996;

3. Проектирование каменно-земляных и каменно-набросных плотин. Издание второе, переработанное и дополненное / под. ред. Р. А. Айропетян. Москва: Изд-во «Энергия» 1975;

4. Гидротехнические сооружения / Г. В. Железняков, Ю.А. Ибад-заде, П. Л. Иванов и др.; под общ. ред. В. П. Недриги. — Москва: Стройиздат, 1983. (Справочник проектировщика);

5. Справочник по гидравлическим расчётам / под. ред. П. Г. Киселёва. Издание 5-е. Москва: изд-во «Энергия», 1974;

6. Гидравлические расчёты высоконапорных гидротехнических сооружений: учебное пособие для вузов — 2-е изд-во, перераб и доп. Москва: Энергоатомиздат, 1986;

7. Проектирование грунтовых плотин: учебное пособие / под ред. А. Л. Гольдин, Л. Н. Рассказов — Москва: Изд-во АСВ, 2001;