Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Гидроузел с грунтовой плотиной

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра гидротехнических сооружений

Пояснительная записка к курсовому проекту

на тему:

“Гидроузел с грунтовой плотиной”

Факультет: ГСС-IV

Группа: 1

Выполнил:Гамов И.А.

Руководитель проекта:

Толстиков В.В.

Москва

2013

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 известняк и наличия местного строительного материала, представленного в виде глины и горной массы принимаю тип плотины –каменно-земляная плотина с ядром из глины и призм горной массы

Возведение плотины будет происходить методом укатки.

Заложение откосов плотины: верхового – m = 2,0 низового – m = 2,1

1.2. Определение отметки гребня грунтовой плотины и расчет крепления верхового откоса.

При определении отметки гребня плотины необходимо учесть, что под воздействием ветра образуется нагон и поверхность воды перестает быть горизонтальной; также образуются волны высотой и длиной , т.е. надо учесть накат волны .

Таким образом отметка верха крепления:

– отметка уровня верхнего бьефа, принимаем равной отметке нормального подпорного уровня

– нагон

– накат волны

– запас, принимаем равным 0,5 м

1.2.1. Определение параметров расчетного шторма.

Исходя из расчетной длины разгона волны в направлении действующих ветров и расчетной скорости ветра над поверхностью водохранилища определим параметры расчетного шторма:

220.7

– расчетная длина разгона волны в направлении действующих ветров

– продолжительность шторма

– расчетная скорость ветра над поверхностью водохранилища

Определим средние значения элементов ветровых волн:

При gt/V_w = = 0.09, = 4.5;

при gL/V_w²=220.7 = 0.026, = 2.0.

Для определения средней высоты волны`h_d, м, и среднего периода волн`Т, с, принимаем наименьшие из полученных значений = 0.026, = 2. 0.

Так как (где H =НПУ-дно=130-57=73)– глубина воды в водохранилище), то зона глубоководная.

Определим высоту волны 1%-ной обеспеченности :

– коэффициент, определим по графику

Так как , то

4.2.1 Определение веса камня.

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

, где

ρ_m – плотность камня, равная ρ_m =2.71 т/м³;

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

ctgφ = 2.0.

;

4.2.2 Определение диаметра камня и толщины крепления.

Диаметр камня вычисляется по формуле:

, где

_{В карьере
имеется камень данного
диаметра.}

Толщину каменной наброски принимается при несортированном камне 3D_ш=3·0.7=2.1м.

диаметром

Вывод: Толщина наброски при сортированном камне диаметром 0.7м принимаем равной 2.1м

1.2.3. Определение высоты наката.

Высоту наката волны можно определить по формуле:

– коэффициент учитывающий угол наклона откоса

– пологость волны

– заложение верхового откоса

Для крепления и при

– коэффициент, учитывающий проницаемость крепления

– коэффициент, учитывающий шероховатость крепления

– коэффициент, учитывающий скорость ветра, при скорости ветра и заложении откоса принимаем

– высота волны 1%-ой обеспеченности

1.2.4. Определение нагона волны.

– расчетная скорость ветра над поверхностью водохранилища

– расчетная длина разгона волны в направлении действующих ветров

– глубина воды в водохранилище

1.2.5. Определение отметку верха крепления.

Принимаем отметку верха крепления

1.3. Определение физико-механических характеристик грунтов тела

плотины.

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.

Гранулометрический состав грунта в карьере:

Способ укладки грунта: укатка

Коэффициент относительного уплотнения I_Д=0.8

1.3.1. Назначение удельного веса горной массы

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

, – соответственно максимальное и минимальное значение коэффициента пористости, определяемые в лабораторных условиях

Определим максимальное и минимальное значение коэффициента пористости грунта по методике Маслова:

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

– эмпирический коэффициент, принимаем равным

– для песка

– для горной массы

– для гравийно-галечникого грунта

метрическом составе грунта

– удельный вес частиц грунта

– коэффициент, характеризующий гранулометрический состав грунта

– соответственно максимальный и минимальный размер достоверно определенных фракций

– процентное содержание достоверно определенных фракций i-го участка кривой гранулометрического состава

– соответственно максимальный и минимальный размер фракций i-го участка кривой гранулометрического состава

Определим действительный коэффициент пористости грунта:

– значение пористости для грунта тела плотины.

Δp =	90		A =	18.6	γч =	26.6
Боковые призмы плотины (горная масса)
D1=		0.6
D2=		540		A =	B =
Δq		d1i	d2i	Δq/(d2i-d1i)	lg(d2i/d1i)	A*B
15		0.6	2.4	8.33333333	0.60206	5.017167
20		2.4	21	1.07526882	0.9420081	1.012912
20		21	70	0.40816327	0.5228787	0.21342
20		70	170	0.2	0.3853509	0.07707
15		170	540	0.04054054	0.5019448	0.020349
K=		12.86395	Iд =	0.8	Σ =	6.341
γсух, мин =		13.99	ε max =	0.902	ε =	0.461
γсух, макс =		19.7	ε min =	0.350	γсух =	18.21
n=		0.315	γнас =	21.37
Принимаем γсух =			18.21	кН/м³

Пористость грунта:

Удельный вес водонасыщенного грунта (песок):

1.3.3. Определение коэффициента фильтрации

Определение коэффициента фильтрации сыпучего грунта производится по эмпирической формуле Павчича:

– кинематическая вязкость воды при температуре

– коэффициент, характеризующий форму частиц, принимаем равным

– для круглых частиц

– для угловатых частиц

1) Для 1-ой кривой гранулометрического состава:

– коэффициент неоднородности

– размер частиц, меньше которых содержится в грунте 17%

Пористость грунта:

Для оценки прочности крупнообломочного грунта часто используется не φ – угол внутреннего трения грунта и c – удельное сцепление, а угол сдвига – ψ₀.

начальный угол внутреннего трения горной массы (нормальное напряжение равно нулю):

где θ – угол сдвига при I_D→ 0, принимаемый равным для горной массы в пределах 40 ÷ 45°,

а – эмпирический параметр, принимаемый равным для горной массы в пределах 8 ÷ 12°,

k – эмпирический параметр, принимаемый равным для горной массы в пределах 0,4 ÷ 0,7.

Для горной массы напряжением, при котором угол внутреннего трения не

изменяется, можно считать 1,5 МПа, а сам угол около 34°. Таким образом можно приближённо нарисовать график зависимости угла внутреннего трения от нормального напряжения:

Удельное сцепление горной массы равно нулю: с = 0.

_{δ=γ∙h=21.37∙86}_{=1695кН/м³=1,84МПа}

Коэффициент пористости :

угол внутреннего трения горной массы: φ = 47.5

1.3.2. Прогноз физико–механических свойств для Глины.

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:

расчётная влажность (принимается для снижения порового давления грунта ядра):

Так как расчётная влажность глины соответствует влажности суглинка, имеющейся в карьере (20 % =20 % ),то глину перед укладкой в тело ядра нет необходимости увлажнять или подсушать.

удельный вес скелета глины:

где V – объём воздуха, защеплённого в порах суглинок, принимаемый равным в пределах 0,03 ÷ 0,05,

коэффициент пористости глины:

По влажности на границе раскатывания и коэффициенту пористости определяем угол внутреннего трения глины и удельное сцепление: φ = 20°, с = 0,034 МПа.

пористость глины:

удельный вес глины в насыщенном состоянии:

коэффициент пористости глины на границе текучести:

коэффициент фильтрации глины:

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 грунт тела плотины. Устраиваем цементационную завесу и галерею с дренажом в теле плотины.

Роль противофильтрационного элемента плотины выполняет ядро.

Ширину ядра поверху конструктивно принимаем. Верх ядра располагаем на отметке НПУ + 2м, т.е. 57 м. Тогда высота ядра H_я = 75.0м. Ширина 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 – НБ_min = 57.2 м при Q_{пол.поп} = 8м³/с.

1.4.1. Построение депрессионной кривой

При соотношении коэффициентов фильтрации до ядра положение кривой депрессии будет на уровне верхнего бьефа, 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;

1.4.5.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.2.

Рис.2

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 b - 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, .

1.4.6. Определение фильтрационного расхода

Проведя построения эпюры выходных градиентов (см.рис.2), определим фильтрационный расход по формуле:

Где - площадь эпюры выходных градиентов;

Эпюра имеет криволинейный характер, ее площадь определяем с чертежа.

Тогда площадь эпюры:

Тогда .

1.5. Подбор зернового состава переходных зон

Переходные зоны защищают грунт ядра от фильтрационных деформаций.

1.5.1. Принципы подбора зернового состава переходных зон и порядок расчета

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 условия:

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

б) 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 .

1.5.2. Описание защищаемого противофильтрационного элемента

Противофильтрационный элемент выполнен в виде центрального ядра. Угол наклона грани ядра к основанию .

Влажность грунта на пределе текучести .

Максимальный градиент фильтрационного элемента на выходе из противофильтрационного элемента определяется в результате фильтрационного расчета по гидродинамической сетке. .

1.5.3. 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.

а) 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:

Где С_р – сцепление глинистого грунта на разрыв;

К₃ – коэффициент запаса, принимается в зависимости от класса капитальности сооружения принимается равным от 3 до 5.

- коэффициент, учитывающий пористость грунта n. Этот коэффициент определяется по графику на рис.3.17..

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

Сцепление на разрыв может быть определено по справочной литературе или по формуле:

где (см,рис.3, кривая 1)

Для первого класса капитальности К₃ = 5.

При пористости суглинка n = 0,374 =0,16.5( по рис.3.19 стр 84)

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

Проведя через полученную точку кривую с коэффициентом неоднородности h =10, находим, что

Имея две точки гранулометрического состава первого слоя фильтра, строим эту кривую (кривая 3, рис.3).

Б) 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.

Крупность различных агрегатов зависит от физико-механических характеристик грунта при его уплотнении. Экспериментально установлено, что если:

то происходит процесс кольматации агрегатами. Зная влажность грунта на пределе текучести и зная, что, определим по графику отношение

Отсюда находим .

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 .(кривые 3,4 на рис.3)

Как видно из рис.2 линия 3, построенная по условию недопущения контактного выпора, пересекается с линией 4 следовательно, подбор гранулометрического состава первого слоя ведется по условию недопущения контактного выпора и по условию кольматации.

Рис.3

Вывод: Как видно из Рисунка 3: устраиваем 2 переходные зоны

1.5. Расчет устойчивости откосов.

Критерием устойчивости откоса является условие:

– расчетные значения соответственно обобщенных сдвигающих сил и сил предельного сопротивления

– коэффициент сочетания нагрузок для основного сочетания нагрузок

– коэффициент условия работы

– коэффициент надежности по степени ответственности сооружения для I-го класса сооружений

Выразив значение и обозначив его (коэффициент устойчивости откоса) получим новое выражение для определения устойчивости откоса:

Расчёт предполагает, что неустойчивая часть откоса, отделившись от остальной устойчивой массы, оползает по некоторой цилиндрической поверхности. Размеры сползающей части откоса, называемой отсеком обрушения, зависит 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.

Расчёт минимального коэффициента устойчивости производим ручным способом:

1) Ручной счет.

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

– коэффициент устойчивости откоса

– вес погонного метра i-го отсека

– угол между вертикалью и радиусом, проведенным в точку пересечения срединных высот отсеков с кривой поверхности обрушения

– удельное сцепление i-го отсека

– угол внутреннего трения i-го отсека

– длина дуги в основании i-го отсека

Произведем вручную расчет коэффициента устойчивости низового откоса и сведем результаты расчета в таблицу.

Таким образом коэффициент устойчивости откоса будет равен:

Условие выполнено, следовательно, устойчивость низового откоса обеспечена.

Глава II. Пропуск строительных расходов.

2.1. Описание схемы пропуска строительных расходов.

Выбор типа водосбросного сооружения выбирают с учётом:

1) Типа плотины и напора на ней;

2) Паводковых и строительных расходов;

3) Общей схемы организации работ и пропуска строительных расходов;

4) Топографических, геологических и гидрогеологических условий в районе площадки гидроузла;

5) Эксплуатационных особенностей;

6) Данных технико–экономических сопоставлений.

На основании выше изложенных пунктов, при высоте плотины 76.0м, напоре на плотину 68.5 м, при песчаном основания, при максимальных паводковом и строительном расходах, равных соответственно 1030 м³/с и 305 м³/с, принимаем в качестве строительного водосброса туннель круглого сечения для пропуска строительного расхода.

Трассировка строительного туннеля:

1) Туннель должен быть заглублен в скалу не менее чем на 2 диаметра туннеля.

2) Желательно избегать поворотов трассы туннеля

3) Если есть поворот, то он не должен превышать 60

4) Радиус поворота туннеля обычно принимают более 3 диаметров туннеля.

Рис. 2.1.1. Трассировка строительного туннеля.

2.2. Гидравлический расчет пропуска строительного паводка.

Первый этап строительства: подготовка строительного водосброса

Второй этап строительства: 1. перекрытие реки – банкет перекрытия

2. возведение низовой перемычки

Третий этап строительства: возведение верховой перемычки

Пропускная способность напорного водовода:

– коэффициент расхода

– площадь поперечного сечения водовода на выходе

– действующий напор

Отсюда найдем площадь поперечного сечения и диаметр строительного туннеля:

длина строительных галерей: ;

– уклон строительных галерей: .

Диаметр и количество строительных галерей будем находить приближениями:

2.21. Гидравлический расчет пропуска строительного паводка

Гидроузел с грунтовой плотиной 📙 Курсовая → 🆔 60640

Гидроузел с грунтовой плотиной

Оглавление

1.4 Фильтрационные расчеты

1.5. Подбор зернового состава переходных зон

2.21. Гидравлический расчет пропуска строительного паводка