Гидротехнические сооружения

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение  

1 Выбор створа плотины  

2 Конструирование поперечного  профиля плотины 

3 Расчет фильтрации через  однородную грунтовую плотину  с дренажем при наличии воды в нижнем бьефе

4 Расчет осадки грунтов  основания грунтовой плотины 

5 Расчет устойчивости  низового откоса грунтовой плотины 

6 Шахтный водосброс  

            7 Водоспуски. Водовыпуски  

8 Список использованных  источников 

9 Приложения  

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Курсовое проектирование ставит своей целью систематизацию и расширение накопленных знаний, а также их практическое применение при проектировании сооружений водохранилищного узла в конкретных условиях гидромелиоративного строительства, определимых заданием на курсовое проектирование.

Гидротехнические сооружения постоянно подвержены действию проточной  или стоячей воды, оказывающей  на это сооружение различное воздействие. Механическое воздействие-вода проявляется  в разрушении материалов сооружений и грунтов в их основаниях. Биологическое  действие-вода проявляется в разрушительном влиянии, живущих в воде и на подводных  частях сооружения различных организмов, которые вызывают гниение древесины, зарастание трубопроводов, нарушение  поверхностей сооружения.

Группы гидротехнических сооружений, объединённых по расположению и условиям совместной работы, называются гидроузлом. Гидроузлы являются комплексными, которые выполняют несколько  функций, что позволяет рационально  использовать водные ресурсы. В курсовом проекте ведётся расчёт водохранилищного узла

 

 

1 ВЫБОР СТВОРА ПЛОТИНЫ

 

На положение створа плотины  оказывают влияние различные  факторы. Топографические условия  определяют длину и высоту плотины. Створ плотины, как правило, располагают в наиболее узкой части водотока, обычно нормально к горизонталям, что обеспечивает минимальные объемы работ, большую роль играют: инженерно-геологические и гидрологические условия, оцениваемые прочностными характеристиками грунтов, их напластованием и водопроницаемостью. Створ плотины целесообразно выбран одновременно с трассировкой водосбросного тракта. При выборе створа учитывается способ пропуска строительных расходов, наличие и возможность устройства дорожной сети, прокладку линий электропередач.

В процессе изысканий намечены несколько створов. Створ будущей плотины из них выбран с учетом перечисленных факторов и на основе результатов технико-экономического сравнения вариантов.

Для принятого створа делаем продольный профиль с фиксацией отметок поверхности земли на пикетах и промежуточных точках. В створе выполняют шурфование и бурение скважин для освещения инженерно-геологического строения основания плотины.

При проектировании плотин учитывается и форма речных долин, в которых наблюдается два характерных участка: русловой, где протекает вода в меженное время, и пойменный, затапливаемый в паводок. На горных участках рек и в руслах малых водотоков поперечное сечение обычно имеет очертание, близкое к треугольному, и здесь пойменных участков нет.

В водохранилищах, создаваемых  с помощью грунтовых плотин, различают три уровня поверхности воды: форсированный подпорный (ФПУ); нормальный подпорный (НПУ) и мертвого объема (УМО). Отметки этих уровней устанавливают с помощью водохозяйственных расчетов. Иногда форсировку уровня воды не предусматривают, тогда НПУ и ФПУ имеют одну отметку.

 

 

2 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПОПЕРЕЧНОГО ПРОФИЛЯ

ПЛОТИНЫ

 

При проектировании плотин третьего класса выполнены следующие расчеты: фильтрационные; устойчивости откосов, экрана и защитного слоя; обратных фильтров, дренажей и переходных зон; крепление откосов на прочность от действия воды, льда и др.

Расчеты выполнены для наиболее характерных поперечных сечений плотин и во всех случаях для основных и особых сочетаний нагрузок, в период эксплуатации и в период их возведения.

Уклон откосов плотин назначены, исходя из условий устойчивости с учетом: физико-механических характеристик грунтов откосов и основания; действующих на откосы сил: фильтрационных, капиллярного давления и др.; высоты плотины; условий производства работ по возведению плотины и ее эксплуатации.

В данном курсовом проекте  взята однородная плотина из песчано-глинистых грунтов при плотных грунтах оснований  со значениями коэффициентов откосов: m1=3,0, m2=2,0,m3=1, m4=2,0.

На откосах через 10м по высоте устраивается горизонтальная площадка - берма.

Ширина гребня плотины назначена в соответствии с нормами проектирования дорог и ожидаемым характером движения по плотине.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2.1 - Примерные значения коэффициентов откосов грунтовых  плотин

 

Высота плотины,

м

Коэффициенты откосов

верховой m1

низовой m2

без дренажа

с дренажем

5

2,0

1.5

1,5

5-10

2,5

2,0

1,5-2,0

12-15

2,5-3.0

2.5

2,0-2,5

20-30

3,0-3,5

2,5-3,0

2,0-2.5


 

Так как движение на плотине  двухстороннее, то ширина гребня принимается равной 12м.

Длину волны  λ (м) в открытых водохранилищах (м) при длине разгона волны от 3 до 30 км и скоростях ветра до 15 м/с вычисляют по формуле:

 

 (2.1)

 

=0,30410100,5=9,61 м

 

где ω - скорость ветра, м/с;

L - длина разгона волны, км.

 

Высоту волны определяют по формуле:

 

 (2.2)

 

м

 

 

 

 

Высоту ветрового нагона ∆h (м) находят по формуле:

 

 (2.3)

 

м

 

где  К - коэффициент, зависящий от отношении Н /λ, принимается равным 6·10-3 ;

ω10 - расчетная скорость ветра в м/с, измеренная на высоте 10 м над уровнем водоема;

L - длина разгона ветровой волны, км;

H -  глубина водоема, м;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

α - угол между осью водоема и направлением ветра.

 

Высоту наката волн на откос  hн (м) определяют по формуле:

 

 (2.4)

м

 

где Кш - коэффициент, зависящий от типа покрытия откосов (для гладкого 1,0, для шероховатого 0,55);

m - коэффициент верхового откоса;

hв - высота волны;

λ - длина волны.

 

Возвышение гребня над  расчетным уровнем верхнего бьефа  определяется по формуле:

 

 (2.5)

 

м

 

где hн - высота наката ветровой волны на откос, м;

h - высота ветрового нагона воды, м

а - запас плотины, принимаемый в зависимости от класса капитальности сооружения равным 0,69 м,

Высота плотины:

 

м

 

С учетом полученного расчетного превышения гребня плотины над НПУ назначаем отметку гребня плотины.

(2.6) 

 

м  

Для обеспечения устойчивости верхового откоса через 10м по высоте проектируем строительство одной бермы шириной 6 м на отметке 101м. Отметка верха дренажной призмы назначается на 1м выше УНБмах и составляет 97м. 

 

3 РАСЧЕТ ФИЛЬТРАЦИИ ЧЕРЕЗ ОДНОРОДНУЮ ЗЕМЛЯНУЮ ПЛОТИНУ С ДРЕНАЖЕМ ПРИ НАЛИЧИИ ВОДЫ В НИЖНЕМ БЬЕФЕ

 

Под влиянием напора создаваемого платиной происходит фильтрация воды из верхнего бьефа в нижний бьеф через тело плотины, если оно проницаемое.

При безнапорном движении фильтрационный поток ограничивается сверху свободной поверхностью, во всех точках которого давление постоянное.

Свободная поверхность грунтового потока называется депрессионной поверхностью, а линия пересечения этой поверхности  с вертикальной плоскостью – депрессионной  кривой. Ниже депрессионной поверхности  грунт насыщается водой и оказывается  возвышенным в воде, что снижает  устойчивость плотины.

При проектировании и конструировании  земляных плотин необходимо выполнить фильтрационный расчет, в процессе которого необходимо установить положение депрессионной кривой в теле плотины, определить градиенты фильтрационного потока, величину фильтрационных скоростей, определить фильтрационный расход через тело плотины и ее основания.

(3.1)

 

где SД - проекция депрессионной кривой, м;

bпл - ширина гребня плотины, м;

Нпл - высота плотины, м;

∆Д - превышение дренажной призмы над УНБmax, м;

Σbб - сумм. ширина берм низового откоса, м.

m2, m3 - коэфф. откосов (низового, внутреннего др. призмы);

hД - высота дренажной призмы.

Глубина фильтрационного  потока hОУ  в раздельном сечении ОY определяется:

                           (3.2)

 

 

Обозначив подкоренное выражение  через F+ , получим

Задаваясь значением h вычисляем соответствующие значения:      

.

 

 

 

По полученным данным строим график (рисунок 3.1), соблюдая один и  тот же масштаб по оси абсцисс  и ординат. Из начала координат проводим линию под углом 45º, из точки пересечения ее с кривой опускаем вертикаль на ось абсцисс и находим h=12,09м - высоту депрессионной кривой в раздельном сечении.

 

 

 

 

 

Рисунок 3.1

 

Ординаты кривой депрессии  вычисляем по формуле (3.3). Расчёт сводим в таблицу 3.1. Правильность фильтрационных расчётов подтвердится в случае, если x = S ; у = h0.

 

 

 

 

Определяем удельный фильтрационный расход:

 

 

  на 1 метр ширины сооружения.

 

 

 

 

Таблица 3.1 - Расчет координат  депрессионной кривой в теле земляной плотины

Точки

х, м

  

y2

y, м

1

0

0

146,17

12,09

2

5

18

128,17

11,32

3

10

36

110,17

10,5

4

15

54

92,17

9,6

5

20

72

74,17

8,6

6

36

129,6

16,57

4,07


 

По полученным значениям  положения депрессионной кривой строится депрессионная кривая на поперечном профиле плотины.

 

 

 

4 РАСЧЕТ ОСАДКИ ГРУНТОВ  ОСНОВАНИЯ ЗЕМЛЯНОЙ

ПЛОТИНЫ

 

Осадка плотины складывается из осадки тела плотины и осадки грунтов основания.

В процессе возведения плотины  насыпь уплотняется до объемной массы  скелета γ=1,6-1,7т/м3. Поэтому, считается, что дальнейшее уплотнение под действием собственного веса не происходит. Основные деформации возникают из-за уплотнения грунтов основания весом плотины. Величина этой осадки (см) определяется по формуле:

 

 (4.1)

 

где Т - толщина сжимаемого основания плотины, см;

ε1 - коэффициент пористости грунта основания плотины в естественном состоянии;

ε2 - коэффициент пористости грунта основания плотины после возведения насыпи.

 

 (4.2)

 

где n - объем пор;

m - объем скелета в единице объема ненарушенного грунта.

 

 

 

 

 

Грунты основания:

 

1 Песок мелкий                       T1=1 м;       γ1 =1,8 т/м3

2 Глина                                         T2=2,3 м;    γ1 =1,9 т/м3

3 Супесь                    T3=5,45 м; γ3 =2,1 т/м3

 

Мощность сжимаемого грунта основания:

Т= Т1+Т2+Т3

Т1+Т2+Т3=8,75м.

Ниже грунт практически  несжимаем.

Грунт тела плотины проектируется выполнить: из мелкого песка с объемным весом γпл =1,8 т/м3; Нпл=18,5 м; bпл.гр.=12 м; m1 =3,0; m2 = 2,0.

 

1. Определяем напряжения в средине сжимаемого слоя грунта основания плотины в естественном состоянии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. По компрессионным кривым находим средневзвешенный коэффициент пористости грунта основания плотины

 

 

 

 

3. Определяем напряжение в точке В на поверхности сжимаемого слоя oснования

 

 

 

4. Определяется напряжение в середине сжимаемого слоя  после возведение плотины.

 

Поперечный профиль плотины  делим на три фигуры: левый треугольник; средняя часть - прямоугольник; правая - треугольник.

Для левого треугольника вычисляем отношения:

 

 

Значения напряжений σz, выраженных в долях от интенсивности нагрузки р, изменяющиеся по треугольнику, получаем для левого треугольника поперечного профиля σzл =0,37.

Для правого треугольника вычисляем отношения:

 

 

 

Значения напряжений σz, выраженных в долях от интенсивности нагрузки р, изменяющиеся по треугольнику, получаем для правого треугольника поперечного профиля σzпр =0,34.

Для средней части  профиля вычисляем отношения:

 

 

  ,  

Значения напряжений σz, выраженных в долях от интенсивности и   равномерно распределенной нагрузки, получаем σz=0,61.

 

5. Определяем напряжение в точке С (на границе сжимаемого слоя), обусловленные воздействием элементарных фигур.

Напряжение от нагрузки левого треугольника:

 

Напряжение от нагрузки средней  части:

 

 

Напряжение от нагрузки правого  треугольника:

 

 

6. Полное напряжение в точке С определяется, как сумма отдельных трех нагрузок от левой, правой и центральной части:

 

 

7. В среднем грунте основания под гребнем плотины напряжение с учетом первоначального напряжения (ρнач) будет:

 

8. По компрессионной кривой при ρс=4,39 кг/см2 определяем средневзвешенный коэффициент пористости ε2=0,75

9. Величину полной осадки основания под гребнем плотины определяем по формуле:

 

 

На основании выполненных  расчетов выполняется проверка достаточности высоты плотины и, при необходимости, увеличивается величина запаса высоты плотины.

Рисунок 4.1 - Компрессионные характеристики грунтов

 

Таблица 4.1 - Значения напряжений σz выраженные в долях от интенсивности р изменяющейся по треугольнику.

 

                                

 

-1.5

-1,6

-0,5

0

0,25

0,5

0,75

1.0

1,5

2,0

2,5

0,00

0.000

0,000

0,000

0.000

0,250

0,500

0,750

0,500

0,000

0,000

0

0,25

-

-

0,004

0.075

0,256

0,480

0.643

0,424

0,015

0,003

-

0,50

0,002

0,003

0,023

0,127

0,263

0,410

0,477

0,353

0,056

0.017

0,003

0,75

0,006

0,016

0,042

0,153

0,248

0,335

0,361

0,293

0,108

0,024

0,009

1,0

0,014

0,025

0,061

0,159

0,223

0,275

0.279

0,241

0,129

0,045

0,013

1,5

0,020

0,048

0,096

0,145

0,178

0,200

0,202

0,185

0,124

0,082

0,041

2,00

0.033

0,061

0,092

0,127

0.146

0,155

0,163

0,153

0,108

0,069

0,050

3,00

0,500

0.064

0,080

0,096

0,103

0,104

0,108

0,104

0,090

0,071

0,050

4,00

0,051

0,060

0,067

0,075

0,078

0,085

0,082

0,075

0,073

0,060

0,049

5,00

0,047

0,052

0,057

0,059

0.062

0.063

0,063

0,065

0.061

0.051

0.047

6,00

0,041

0.041

0,050

0.051

0,052

0,053

0.055

0.053

0,50

0,050

0,045


 

Таблица 4.2 - Значения напряжений σz выраженные в долях от интенсивности равномерно распределённой нагрузки

 

                               

 

0

0,25

0,5

1

1,5

2

0,00

1,00

1,00

0,50

0,00

0,00

0,00

0,25

0,96

0,90

0,50

0,02

0,00

0.00

0,50

0,82

0,74

0,48

0,08

0,02

0,00

0,75

0,67

0,61

0,45

0,15

0,04

0,00

1,00

0,55

0,51

0,41

0,19

0,07

0,02

1,25

0,46

0,44

0,37

0,20

0,10

0,03

1,50

0,40

0,38

0,33

0,21

О.П

0,06

1,75

0,35

0,34

0,30

0,21

0,11

0,07

2,00

0,31

0,31

0,28

0,20

0,13

0,08

3,00

0,21

0,21

0,20

0,17

0,135

0,10

4,00

0,16

0,16

0.15

0,14

0,12

0,10

5,00

0,13

0,13

0,12

0,12

0,11

0.09

6,00

0,11

0,10

0,10

0,10

0,10

-


 

5 РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ  НИЗОВОГО ОТКОСА ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ

 

Проверка устойчивости откоса сводиться к определению коэффициента устойчивости, который в общем  случае равен отношению момента  удерживающих сил (трения и сцепления) к моменту сдвигающих сил.

 

 

 

Расчет выполняется в  условиях плоской задачи, то есть рассматривается  отрезок плотины, длина которого равняется 1.

Грунт плотины выше кривой депрессии имеет естественную влажность, а ниже ее в насыщенном водой состоянии.

В соответствии со СНиПом 2.06.05-84 устойчивость откосов обеспечивается, если выполняется условие

 

                                                         (5.1)

 

где Кн – коэффициент надежности

m – коэффициент условия работы, m=1

n – коэффициент сочетания нагрузок, n=1

 

Расчетное значение Кн утверждены СНиП 2.06.01-86.

 

 

 

 

 

 

Таблица 5.1 – Зависимости Кн от класса сооружения.

Класс

I

II

III

IV

Kн

1,25

1,20

1,15

1,10


 

Наименьшее значение коэффициента устойчивости не должно превышать величины не более чем 10%.

Если это не обусловлено  особенностями сооружения.

Если условия не удовлетворяют, необходимо внести соответствующие  изменения в конструкцию или  размеры сооружения.

Действующие силы определяются в следующей последовательности:

1.Строим прямоугольник ДЖЖ'Д'. Для построения из средины осредненного (линия А'В') откоса (точка Б) прочерчивается вертикаль и линия под углом 85º и затем вычисляем радиусы БД и БЖ и проводятся дуги ДД' и ЖЖ'.

 

БД = k1·Нпл

k1 = 0.75

БД = 0, 75·18,5=13,9 м;

БЖ = k2·Нпл.

k2 = 1,75

БЖ = 1,75·18,5=32,4 м

В секторе ДЖЖ'Д' выбираем центр скольжения О, из которого радиусом R очерчиваем кривую скольжения АГ с таким расчетом, чтобы она проходила между осью плотины и бровкой низового откоса плотины.

 

2.Делим массив откоса АА'В'ГА на вертикальные полосы шириной b= 0,1R=4,1. Разбивку полос начинаем с нулевой, которая располагается по обе стороны от вертикали, опущенной из точки О до пересечения с кривой скольжения АГ.

3.Для рассматриваемой полосы sinα равен ее порядковому номеру, поделенному на 10. Для полос, расположенных от нулевой полосы влево sinα – положительны; а для полос, расположенных вправо – отрицательны. При этом, для первой и последней полос sin α принимается в зависимости от доли полосы по отношению к полной ее ширине, например.

4.Вычисляется cos α формуле:

                                        (5.2)

По оси полосы измеряются ее средние высоты: от поверхности  откоса до линии депрессии для  фунта плотины с естественной влажностью hес.пл, от линии депрессии до линии основания - грунт плотины насыщенный водой hнас.пл, от линии основания - высота насыщенных водой грунтов основания в пределах расчетного массива hнас.осн 1, hнас.осн 2, hнас.осн 3.  

6.Приведенную высоту полосы определяем по формуле:

 

 (5.3)

 

Значения объемного веса грунта принимаются по таблицам средних  значений физико-механических характеристик грунтов оснований и тела плотины.

7.Выбор угла внутреннего трения φ и удельного сцепления с проводится также по таблицам средних значений физико-механических свойств грунтов оснований и тела плотины в зависимости от того, в какой области относительно кривой депрессии и в каком слое основания находится низ отсека полосы.

Для настоящего распределения  грунтов тела плотины и основания  выбраны характеристики, показанные в таблице 5.2.

Каждой области с выбранными φ и с вдоль кривой скольжения отвечает соответствующий центральный угол βi. Общая длина дуги кривой скольжения складывается из длин участков li:

 

                                        (5.4)

 

Таблица 5.2 - К построению кривой скольжения

Наименование грунта

Объемный вес, т/м3

Угол внутреннего трения

Удельное сцепление, т/м

γестеств

γнасыщ

φестеств

φнасыщ

Суглинок тела плотины

1,9

1,0

21

15

2,0

Супесь основания

1,6

1,1

27

20

0,3

Песок мелкий основания

1,8

1,0

28

27

0,2

Глина основания

2,0

1,1

20

12

2,0

Гидротехнические сооружения 📙 Курсовая → 🆔 60639

Гидротехнические сооружения 📙 Курсовая → 🆔 60639

Гидротехнические сооружения