Расчет земляной плотины

1. Краткое описание района створа гидроузла

1.1 Топографическая характеристика. Климатическая характеристика Геологические условия

2. Обоснование выбора створа плотины, компоновка узла сооружений

2.1 Выбор и обоснование створа гидротехнического сооружения

2.2 Компоновка узла сооружений

3. Грунтовая плотина

3.1 Определение класса капитальности плотины. Расчетные горизонты вод

3.2 Определение отметки гребня плотины

3.3 Определение геометрических параметров плотины. Крепление откосов плотины

3.4 Фильтрационный расчет тела плотины

3.5 Расчет противофильтрационного устройства

3.6 Расчет устойчивости низового откоса плотины

4. Трубчатый водоспуск

4.1 Гидравлический расчет трубчатого водоспуска

5. Водосбросное сооружение

5.1 Назначение, компоновка, трасса водосбросного сооружения

5.2 Гидравлический расчет открытого водосбросного сооружения

5.3 Гидравлический расчет закрытого водосбросного сооружения Список литературы

Управление водными ресурсами в реках и на мелиоративных системах осуществляют посредством речных и внутрисистемных гидротехнических сооружений, эффективность и надежность работы которых зависит от качества разработки их проектов.

Разработка проекта гидротехнических сооружений — это творческий сложный процесс. В зависимости от назначения и ответственности сооружений их проектирование ведут в одну или две стадии.

При проектировании гидроузлов и гидросистем выделяют постоянные и временные гидротехнические сооружения. Из группы постоянных сооружений выделяют основные и второстепенные. Постоянные гидротехнические сооружения подразделяют на классы. От класса сооружения зависят состав и объемы изыскательских и проектных работ, коэффициенты запасов при расчете сооружений, значение сбросных расходов, характеристики используемых при строительстве материалов.

Сооружения должны отвечать требованиям надежности и технологичности, быть удобными в эксплуатации, обеспечивать возможность наблюдения за их работой, состоянием креплений и гидромеханического оборудования.

Конструкции и габариты сооружений должны обеспечивать благоприятный гидравлический режим потока при пропуске нормальных и максимальных расчетных расходов воды, требуемую маневренность в изменении уровней и расходов, нормальную работу системы в сложных наносных условиях.

При создании воподпорных сооружений следует предусмотреть инженерную защиту или перенос жилых и производственных объектов, благоприятные режимы уровней в верхнем и нижнем бьефах, соответствующую подготовку затапливаемых территорий, а в случае необходимости — переселение из района возможного затопления, решение благоустройства территорий, охраны окружающей среды, гражданской обороны.

1. Краткое описание района створа гидроузла.

1.1 Топографическая характеристика. Климатическая характеристика. Геологические условия

Узел гидротехнического сооружения запроектирован на равнинной реке Медведица. Река протекает в восточном направлении. В грунтах основания: глина.

Климатическая характеристика: в степной (самой большой) части области зима более холодная, суровая и ветреная, чем в расположенных на той же широте западных районах Европейской территории России. Устойчивый снежный покров в степях устанавливается в последнюю декаду ноября. Частые оттепели вызывают гололёд, иногда случаются обильные снегопады и бураны. Весна скоротечна, с ясными солнечными днями. Маломощный снежный покров в степях исчезает в начале апреля. Осадков весной выпадает мало. В полупустынных бессточных впадинах при снеготаянии скапливаются талые воды. Когда они обсыхают, на их месте образуются маленькие луговые «оазисы». Лето в степной зоне наступает рано: уже во вторую половину мая устанавливаются жаркие дни с сухой солнечной погодой. Средняя температура июля +22°С, но бывает, что поднимается до +40°С и выше. В степях очень часты безветренные сухие и жаркие погоды. Осенью температура понижается не так быстро, как нарастала весной. Осень здесь тёплая, и температура воздуха в это время распределяется наиболее равномерно. В сентябре и октябре днём стоит обычно сухая и солнечная, как летом, погода, однако часты ночные заморозки. В ноябре увеличивается облачность, значительно повышается влажность. В среднем, осадков осенью выпадает несколько меньше, чем летом. Очень распространены ночные и утренние туманы.

В поймах рек луга чередуются с лесами. На лугах растут высокие травы с яркими цветами: чина луговая, кровохлебка, подмаренник и другие, из злаков — пырей, костер. Луга — лучшие сенокосные угодья. Поймы используются и под огороды.

В поймах Медведицы есть пойменные леса. Ближе к руслу реки обычно растут ветла и осокорь (черный тополь), дальше от русла — вяз, дуб, береза, осина, клен, черемуха.

Природные ресурсы. Полезные ископаемые: в Саратовской области выявлено и разведано большое количество месторождений углеводородного сырья и твердых полезных ископаемых.

На территории области имеются ресурсы и добываются полезные ископаемые — нефть, газ, сырье для производства строительных материалов (мел, мергель, пески, цементное сырье, кирпично-черепичные глины), сера, цеолиты, горючие сланцы, агроруды.

По количеству перспективных и прогнозных ресурсов углеводородного сырья область занимает первое место в Поволжье, по реальным запасам сырья — четвертое. Объем добываемого углеводородного сырья составляет 40% от общей потребности, промышленная добыча сосредоточена в нескольких районах области. Суммарная площадь лицензионных участков, на которых ведется добыча, не превышает 10% в общей площади нефтегазоперспективных земель.

Виды грунтов и их характеристики по створу гидроузла и тела плотины представлены в таблице 1.

Таблица 1

2. Обоснование выбора створа плотины, компоновка узла сооружений

2.1 Выбор и обоснование створа гидротехнического сооружения

При выборе створа плотины рассмотрим 2 створа. Ось створа выбрана прямолинейно на основании следующих требований:

1. Створ выбирают в наиболее узком месте речной долины, не должно быть оврагов, оползней, рукавов и островов.

2. В створе должны учитываться технико-экономические показатели в зависимости от топографических, инженерно-геологических условий, объемы земельных работ, возможности обеспечения НПУ и необходимых объемов водохранилища.

Расчет объема земельных работ по створам плотины.

Участок I-I (криволинейный):

Участок II-II (прямолинейный):

Итак, для дальнейшего расчета выбираем участок с наименьшим объемом земельных работ, то есть участок II-II.

2.2 Компоновка узла сооружений

В состав гидроузла входят:

1. Земляная (грунтовая) плотина. Она выполнена из местного материала, расположена на грунтах, в основании — глина. Плотина предназначена для создания нормативного подпорного уровня, глубиной 17,2 и для создания водохранилища, используемого для орошения, водоснабжения животноводческих ферм, разведения рыбы, плавающих птиц и других народно-хозяйственных целей.

2. Трубчатый водоспуск, предназначенный для полного опорожнении водохранилища, поддержания уровня воды в нижнем бьефе, орошения, водоснабжения, иногда, для сброса воды.

3. Водосбросное сооружение, предназначенное для сброса паводковых и ливневых вод и для предупреждения от размыва грунтовой массы тела плотины.

3. Грунтовая плотина

Земляная плотина является глухой водохранилищной плотиной, через гребень которой недопустим перелив воды. Перед земляной плотиной создается подпор воды, который вызывает фильтрацию через тело плотины и ее основание. Эти обстоятельства определяют основные условия работы земляных плотин и предъявляют следующие требования:

1. Недопустим перелив через гребень плотины.

2. Откосы плотины имеют такое заложение, которое исключает оползание.

3. Поперечное сечение плотины устойчиво к любым воздействиям (волновое, ветровое).

3.1 Определение класса капитальности плотины. Расчетные горизонты вод

Класс земляных сооружений определяется в зависимости от высоты сооружения, от материала тела плотины и от грунтов основания. А также от ущерба народного хозяйства при аварии. Согласно СНиП при высоте плотины 10,4 и тела плотины, отсыпанного из среднезернистого песка, принимаем VI класс капитальности.

При проектировании гидроузла должны быть определены расчетные горизонты вод:

1. Нормальный подпорный уровень (НПУ).

2. Форсированный подпорный уровень (ФПУ).

3. Уровень мертвого объёма (УМО).

НПУ=8 м ФПУ=8,6 м УМО= 4 м.

3.2 Определение отметки гребня плотины

Высоту плотины назначают с превышением d над расчетным уровнем воды в водохранилище, гарантирующем отсутствие перелива воды через гребень и равным Где — высота ветрового нагона воды;

— высота наката волн на откос плотины;

— конструктивный запас, принимаемый как большее из значений 0,5 м и 0,1; - высота волны 1%-ной вероятности превышения.

Расчеты следует проводить для двух расчетных случаев:

1) уровень воды на отметке НПУ или выше него;

2) уровень воды на отметке ФПУ при пропуске максимального поверочного расхода воды.

В качестве расчетной отметки гребня плотины принимают большую из отметок Где — отметки нормального и форсированного подпорных уровней.

Высоту ветрового нагона определяют по зависимости Где — коэффициент, зависящий от скорости ветра;

— длина разгона ветровой волны, м;

— расчетная скорость ветра на высоте 10 м над уровнем воды, м/с;

— ускорение свободного падения, м/с²;

— расчетная условная глубина воды в водохранилище;

— угол между продольной осью водоема и направлением господствующих ветров, град.

Высоту наката ветровой волны для iй вероятности превышения расчетного шторма вычисляют по формуле Высоту волны 1% вероятности превышения определяют в такой последовательности:

1. Вычисляют безразмерные комплексы

2. Определяем значения относительных параметров

3. Вычисляем среднюю длину волны

3. Высоту волны 1% вероятности превышения определяем по формуле:

Определим отметку гребня земляной плотины при следующих исходных данных: скорость ветра на высоте 10 м при НПУ равняется 15м/с, при ФПУ — 10м/с; длина разгона волны при НПУ — 5 км, при ФПУ — 4 км; угол между продольной осью водоема; конструкционный запас 0,5 м.

Определим высоту ветрового нагона: при отметке НПУ При отметке ФПУ Далее определяем параметры ветровой волны, для этого вычисляем безразмерные комплексы: при НПУ При ФПУ По графику для каждого из безразмерных комплексов определяем и выбираем наименьшее значение для дальнейших расчетов.

При НПУ:

При ФПУ:

Тогда средняя высота волны, средний период и средняя длина волны будут равны: при НПУ При ФПУ Вычисляем требуемое превышение гребня плотины над расчетным уровнем: при НПУ При ФПУ Отметка гребня плотины соответственно должна быть: при НПУ При ФПУ Определим расчетную высоту плотины

3.3 Определение геометрических параметров плотины. Крепление откосов плотины

Учитывая, выше рассчитанные параметры получаем:

Коэффициент фильтрации — 0,005;

m₁=3;

m₂=2;

H_пл=10,4 м;

;

b=6 м.

По данным параметрам строим на миллиметровке полученную плотину.

3.4 Фильтрационный расчет тела плотины.

При отсутствии воды в нижнем бьефе расчетные уравнения имеют вид:

Приравниваем правые части уравнений (11) и (12), находим Подставляем выражение S из уравнения (13), получаем Обозначая правую часть через Д, получим h=Д .Тогда уравнение (10) примет вид:

Вводим сокращенное обозначение Подставляя в левую часть ее выражение из уравнения (12), находим Или Обозначаем левую часть, А правую часть Задаваясь значениями, решаем уравнения, добиваясь равенства

Денный расчет производим с помощью ЭВМ и получаем:

А₀=1.233

S=24.334

H=5.6146

Q=0.30 825

Вычисление депрессионной кривой При:

х=0 у=5.6146

х=1 у=5.5037

х=2 у=5.3906

х=3 у=5.275

х=4 у=5.1568

х=5 у=5.0358

х=6 у=4.9118

х=7 у=4.7847

х=8 у=4.654

х=9 у=4.5196

х=10 у=4.3811

х=11 у=4.2381

х=12 у=4.09

х=13 у=3.9364

х=14 у=3.7765

х=15 у=3.6096

х=16 у=3.4345

х=17 у=3.2501

х=18 у=3.0545

х=19 у=2.8455

х=20 у=2.6199

х=21 у=2.373

х=22 у=2.0972

х=23.334 у=1.233

Так как, то противофильтрационное устройство не требуется.

3.5 Расчет противофильтрационного устройства

Для расчета плотины с ядром и дренажем на водопроницаемом основании конечной глубины при k₀=k_т М. З. Гузов предложил не учитывать влияние на фильтрационный поток части плотины до ядра, которое весьма незначительно.

В этом случае расчет сводится к построению кривой депрессии за ядром и определению фильтрационного расхода.

Определяем глубину фильтрационного потока за ядром:

гдерасчетная глубина воды перед плотиной;

T — Глубина водопроницаемого слоя основания.

Зная величину h, удельный фильтрационный расход вычисляем по уравнению Кривая депрессия строится по уравнению Начало координат принимается на подошве внутреннего откоса дренажной призмы.

м Таблица 2

Определяем удельный фильтрационный расход тела плотины

3.6 Расчет устойчивости низового откоса плотины

Расчет ведем по методу круглоцилиндрической поверхности графоаналитическим способом. (рисунок).

Приведенную высоту полосы определяем по формуле Объемную массу грунта при естественной влажности вычисляем по формуле Объемную массу взвешенного и насыщенного водой грунта определяем по формуле Где n-относительная пористость грунта;

— плотность грунта;

— плотность воды;

— коэффициент, зависящий от влажности грунта.

Длину дуги кривой скольжения вычисляем по формуле Где R-радиус скольжения;

— центральный угол дуги.

Коэффициент запаса определяем по формуле Площадь фильтрационного потока в зоне сползаемого массива Средний градиент в этой зоне Дальнейший расчет ведём в табличной форме. (Таблица 3)

т/м³

т/м³

м²

Вычисленный коэффициент устойчивости низового откоса плотины вполне удовлетворяет нормальным условиям работы сооружения III класса, однако он не является минимальным.

гидротехнический плотина створ гидравлический

4. Трубчатый водоспуск

При земляной плотине устраивают водоспуск, по назначению он может быть хозяйственным и аварийным. Хозяйственный водоспуск устраивают для осуществления полезных пропусков воды из водохранилища в русла реки или специальным устройством в нижнем бьефе канал или трубопровод, транспортирующий воду потребителю. Входное отверстие хозяйственного водоспуска закладывается на много ниже уровня мертвого объема, с тем, чтобы при самом низком горизонте воды в верхнем бьефе можно будет подать потребителю необходимое количество воды.

Аварийный водовыпуск служит для полного опорожнения водохранилища, входной порог сооружения на уровне дна водохранилища.

4.1 Гидравлический расчет трубчатого водоспуска

Водовыпуск выполняется из металлических труб диаметром 0.3, 0.4, 0.5, 0.7, 0.8, 1.0, 1.2 м. труба укладывается за подготовку, ниже трубы устраивается каменная отсыпка.

Вдоль трубы с расстоянием через 6 м устанавливают диафрагму, в конце в нижнем бьефе монтируется смотровой колодец, в котором устанавливается 2 задвижки. Колодец размером не менее 2 м из унифицированных колец, устанавливаемых на плиту из железобетона и сверху накрывается крышкой. На входе устанавливается грубая решетка 0.1×0.1 м.

Время опорожнения водохранилища определяется по формуле Гдеобъем водохранилища;

— расход одной трубы.

Где — коэффициент расхода трубопровода;

— разница уровней между нижним и верхним бьефами;

— площадь поперечного сечения трубы.

Где — сумма коэффициентов сопротивления.

Зададимся диаметром: d=0.8 м.

Определим необходимый объем водохранилища

м²

м³/с м³

5. Водосбросные сооружения

При земляных плотинах устраивают водопропускные и водосбросные сооружения для сброса паводковых и ливневых вод во избежание их перелива через гребень плотины, следовательно, во избежание разрушения плотины. Водоспуски и водовыпуски предназначены для полного и частичного опорожнения водохранилища для аварийного сброса или хозяйственных нужд. В водохранилище объем воды зависит от поверхностного стока и от поступающего водного потока. При наполнении водохранилища до отметки НПУ оставшийся объем сбрасывается в нижний бьеф или в гидрографическую сеть. Сброс осуществляется при уровне ФПУ, но не всегда, при необходимости сброс можно осуществить с отметки НПУ и ниже.

5.1 Назначение, компоновка, трасса водосбросных сооружений

Тип водосбросов при плотинах — это комплекс сооружений, который обеспечивает пропуск максимальных расходов. Путь оборудованный сооружениями для водосбросов называется водосбросным трактом. Для проектирования, которого назначается несколько вариантов и выполненный продольный профиль водосбросного тракта.

Поверхностный водосброс — это водосбросной уровень воды, который во входной части соприкасается с атмосферой.

В глубинных водосбросных сооружениях входная часть расположена под уровнем воды, а выходная закрытая.

Водосбросы могут работать по-разному от нескольких часов до нескольких дней. Однако за это время они должны пропустить максимальный расход воды, поэтому водосбросное сооружение рассчитывается на максимальный расход паводка 1% обеспеченности.

По условиям взаимодействия головной части различают: глубинные и поверхностные водоспуски.

По конструкции поперечного сечения различают открытые, закрытые и комбинированные водосбросы.

Открытые береговые поверхностные водосбросы располагают на берегах в обход плотины в связи, с чем получили свое название. Вода сбрасывается из верхнего бьефа в более низкие места топографической местности или в заранее построенный пруд.

Трасу водосбросного сооружения выбирают на основании технико-экономического обоснования, топографических условий, учета гидрологических условий, технологии строительства, рыбзащиты и охраны окружающей среды. Трасса должна располагаться по возможности прямолинейно.

Трасса — особая линия сооружений расположенная на местности с разбивкой на ней пикетов.

К закрытым водосбросным сооружениям относят трубчато-ковшовый водосброс, башенный, туннельный, сифонный и трубчатый водосбросы.

Трассу закрытых водосбросов выбирают в естественных условиях при пропуске строительных расходов на слабых грунтах.

5.2 Гидравлический расчет открытого водосбросного сооружения

Расчет открытого водосбросного сооружения сводиться к определению длины водосливного порога L и построению кривой свободной поверхности воды.

Длину водосливного порога определяют по формуле неподтопленного водослива в зависимости от характера сопряжения потока в нижнем бьефе.

Средние скорости в сечениях определяем по формуле Где a — коэффициент пропорциональности равный Зная средние скорости, мы сможем определить площадь живого сечения в каждом сечении Определяем глубину заложения откоса по формуле Затем определяем уклон Зная уклон и расстояния между сечениями, определяем потери напора По известным отметкам h и находят отметки свободной поверхности, отметки дна траншеи и строят продольный профиль.

Результаты расчета сведем в таблицу (Таблица 4).

5.3 Гидравлический расчет закрытого водосбросного сооружения

Гидравлический расчет сводится к определению ширины водослива, потерь напора в трубах и размеров водобойного колодца.

Ширина водосброса определяется по формуле м.

Принимаем ширину торцовой стенки равной 5 м, тогда длина двух боковых стенок будет 12 м, а одной — 6 м.

Для сброса воды примем 2 трубы круглого сечения d=1.5 м, тогда площадь живого сечения потока в трубах м² .

Определяем скорость в трубах

м/с.

Выход в трубу делаем плавным в виде раструба d=2 м, площадь входного раструба будет м², а скорость на входе в трубы

м/с Зная скорости, определяем коэффициент потерь напора при входе Приняв толщину стенок труб t=0.2 м и расстояние между ними 0.7 м, найдем ширину входного фронта труб (1.5+0.4)²+0.7=4.5 м.

Примем ширину водобойного колодца 5 м и его глубину 1.8 м. площадь живого сечения потока в водобойном колодце будет м².

Зная площади живых сечений, определим коэффициент сопротивления при выходе Определяем коэффициент сопротивления на трение в трубах Коэффициент сопротивления на поворот принимаем.

Определяем полные потери напора Общий напор z= 10.5 м примерно равен потере напора, значит число труб и размеры их поперечного сечения приняты правильно.

Список используемой литературы

1. И. М. Волков Проектирование гидротехнических сооружений. 384 с. с ил. Изд. «Колос». 1977 г.

2. Под ред. В. С. Лапшенкова. Курсовое и дипломное проектирование по гидротехническим сооружениям. 448 с. с ил. Изд. «Агропромиздат». 1989 г.