Комплексный проект «Водохранилищный гидроузел с грунтовой плотиной»

                                                             СОДЕРЖАНИЕ 

 

Исходные данные

  

1

Гидрологические расчеты

  

1.1

Характеристики стока

  

1.2

Вычисление и построение кривых обеспеченности

  

II

Водохозяйственные расчеты

  

2.1

Установление необходимости  и вида регулирования стока

  

2.2

Характеристики водохранилища

  

2.3

Сезонно-годичное регулирование  стока

  

2.3.1

Таблично-цифровой способ расчета

  

2.4

Потери воды из водохранилища  на фильтрацию и испарение

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Комплексный проект «Водохранилищный гидроузел с грунтовой  плотиной»

Цель работы: гидрологические  и водохозяйственные расчеты  и проектирование гидротехнических сооружений.

    1. Гидрологические расчеты:

-Определить величину  среднего многолетнего расхода.  Коэффициент изменчивости и асимметрии;

-Построить эмпирическую  и теоретическую кривую обеспеченности;

-Установить величину  среднегодового расхода расчетной  обеспеченности;

-Выполнить расчет внутригодового  стока реки;

II. Водохозяйственные расчеты:

-Построить топографическую  и объемную характеристику чаши  водохранилища

-Определить величину  мертвого объема водохранилища  и установить отметку УМО

-Рассчитать полезный  объем водохранилища

-Определить величину  полного объема водохранилища  и установить отметку НПУ; глубину  воды и площадь зеркала водохранилища

III. Вариант строительства водоподъемной плотины:

-Определить высоту грунтовой  плотины

-Произвести конструирование  поперечного профиля грунтовой  плотины

-Выполнить фильтрационные  расчеты грунтовой плотины

Исходные данные:

  1. Полезное потребление воды, U,м3/с
  2. Средняя многолетняя мутность,ρ-90 г/м3
  3. Расчетный срок эксплуатации водохранилища-90 лет;
  4. Средний годовой слой фильтрации, hф.-0,9 м
  5. Средний годовой слой испарения

- с поверхности суши,Zc=40 мм;

-с поверхности воды,Zв=70 мм;

6. Отметка дна- 40 м

7. Тип плотины- с экраном;

8. Тип покрытия верхового  откоса- каменная наброска;

9. Грунт  тела плотины- мелкие пески; экрана- суглинок;

10. Скорость ветра,W-9 м/с

11. Длина разгона волны,L- 9,4 м

12. Угол между осью водоема  и направлением ветра,α=72̊

13. Расчетная обеспеченность  водопотребления,Р-80%

14. Категория дороги-I

15. Толщина водопроницаемого  слоя, Т-9 м

16. Коэффициент фильтрации  грунтового основания плотины,Кс-2,9 м/сут

17. Расход водовыпуска Q-3,5 м3/с

Таблица 1

Годы

Средние годовые расходы, м3/с

1951

27.2

1952

18.1

1953

12.2

1954

51.1

1955

25.2

1956

39.1

1957

29.5

1958

11.8

1959

32.2

1960

20.7

1961

24.4

1962

26.3

1963

7.7

1964

23.7

1965

33.8

1966

38.2

1967

45.5

1968

12.1

1969

21.1

1970

9.7

1971

22.2

1972

37.9

1973

53.3

1974

27.7

1975

13.4


 

 

 

 

 

 

I. Гидрологические расчеты

1.1 Характеристика речного стока

-Расход воды,Q, м3/с

-Объем стока, V,м3

-Модульный коэффициент  Qi/Q0=K

                                               Q0=∑Qi/n

-Обеспеченность гидрологической характеристики P=*100%

m- порядковый номер числа ряда

n- общее число членов ряда

-Коэффициент вариации  Cv=  =

-Среднее квадратичное отклонение ряда δ=

-Коэффициент асимметрии Cs=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2

ПП

Годы

Q,м3/с

Годы

Q,м3/с

Р=*100%

Ki

Ki-1

(Ki-1)2

(Ki-1)3

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1

1951

27.2

1973

53.3

2.8

2.01

1.01

1.02

1.03

2

1952

18.1

1954

51.1

6.7

1.92

0.92

0.85

0.78

3

1953

12.2

1967

45.5

10.6

1.71

0.71

0.50

0.36

4

1954

51.1

1956

39.1

14.6

1.47

0.47

0.22

0.10

5

1955

25.2

1966

38.2

18.5

1.44

0.44

0.19

0.09

6

1956

39.1

1972

37.9

22.4

1.43

0.43

0.18

0.08

7

1957

29.5

1965

33.8

26.4

1.27

0.27

0.07

0.02

8

1958

11.8

1959

32.2

30.3

1.21

0.21

0.04

0.009

9

1959

32.2

1957

29.5

34.3

1.11

0.11

0.01

0.001

10

1960

20.7

1974

27.7

38.2

1.04

0.04

0.0016

0.000064

11

1961

24.4

1951

27.2

42.1

1.02

0.02

0.0004

0.000008

12

1962

26.3

1962

26.3

46.1

0.99

-0.01

0.0001

-0.000001

13

1963

7.7

1955

25.2

50.0

0.95

-0.05

0.0025

-0.000125

14

1964

23.7

1961

24.4

53.9

0.92

-0.08

0.0064

-0.000512

15

1965

33.8

1964

23.7

57.9

0.89

-0.11

0.0121

-0.001331

16

1966

38.2

1971

22.2

61.8

0.84

-0.16

0.0026

-0.004096

17

1967

45.5

1969

21.1

65.7

0.79

-0.21

0.0441

-0.0093

18

1968

12.1

1960

20.7

69.7

0.78

-0.22

0.0484

-0.0106

19

1969

21.1

1952

18.1

73.6

0.68

-0.32

0.1024

-0.0328

20

1970

9.7

1975

13.4

77.5

0.51

-0.49

0.2401

-0.1176

21

1971

22.2

1953

12.2

81.5

0.46

-0.54

0.2916

-0.157

22

1972

37.9

1968

12.1

85.4

0.46

-0.54

0.2916

-0.157

23

1973

53.3

1958

11.8

89.4

0.44

-0.56

0.3136

-0.176

24

1974

27.7

1970

9.7

93.3

0.37

-0.63

0.3969

-0.25

25

1975

13.4

1963

7.7

97.2

0.29

-0.71

0.5041

-0.358

Итого

  

∑=664.1

  

Q0=26.56

∑=1249.9

25

0

∑=5.34

∑=1.20


 

Расход воды, Q (м3/с)- количество воды, протекающее через поперечное сечение реки в одну секунду. Может быть средним годовым и средним многолетним.

Объем стока,V,(м3)- количество воды, протекающее через данное сечение реки за некоторый промежуток времени.

Модульный коэффициент, К-отношение  величины расхода воды за какой-то период к среднему многолетнему расходу  воды.

Обеспеченность гидрологической  характеристики- вероятность превышения ее над всеми ее возможными величинами (Р%).

Коэффициент вариации Cv- отношение среднего квадратичного отклонения к среднему многолетнему расходу.

Коэффициент асимметрии Cs- отношение среднего квадратичного значения отклонения  в кубе на среднее квадратичное отклонение в кубе.

      1.2   Вычисление и построение кривых обеспеченности

Эмпирическая  кривая обеспеченности.

Кривая обеспеченности- это интегральное выражение кривой распределения, показывающее обеспеченность или вероятность превышения в процентах той или иной величины в данном многолетнем ряду.

Определение параметров водохранилища  начинают с расчета и построения кривой обеспеченности, используя табличные  данные.

Кривая обеспеченности характеризуется  следующими параметрами: средним многолетним  расходом Q0, коэффициент вариации Сv и коэффициентом асимметрии Cs. Расчет этих параметров и эмпирической кривой проводят по табл.2.

Для этого из табл.1 графы 2 и 3 (т.2) выписывают в хронологическом  порядке годы и соответствующие  им расходы Qi.

В графе 5 т.2 средние годовые  расходы перегруппировываются в  убывающем порядке, т.е в первой строке записывают расходы, соответствующие максимальному значению наблюдаемого расхода, а в последней- минимальному значению. Против каждого среднего годового расхода графы 5 в графе 4 выписывают соответствующие им годы наблюдения. Преобразование наблюдаемого ряда в убывающий ряд по значениям средних годовых расходов необходимо для дальнейшего расчета и построение эмпирической кривой обеспеченности.

В графе 6 вычисляют вероятности  превышения Р%, эмпирических значений годовых величин стока. В графе 7 вычисляют модульные коэффициенты. На основании расчетов строят эмпирическую кривую обеспеченности Qi=f(P%).Координаты положения эмпирических точек определяют по графе 5 и 6 табл.2.

Теоретическая кривая обеспеченности.

Т. К эмпирические точки не характеризуют распределение всех значений, которые может принять случайная величина, особенно в зоне максимальных и минимальных расходов, то необходимо рассчитать теоретическую кривую обеспеченности. Эта кривая позволяет экстраполировать кривую обеспеченности в зонах максимальных и минимальных расходов, а также наиболее правильно определить значения эмпирических точек.

Теоретическая кривая обеспеченности рассчитывается на основании имеющихся  данных наблюдений путем определения  точек основных параметров и описывающих  как средний годовой расход Q0, коэффициент изменчивости Cv и асимметрии Cs. По данным графы 5 табл.2 определяют первый параметр кривой обеспеченности - средний многолетний расход Q(м3/с), вычисляемый как среднее арифметическое ряда. Для определения числителя формулы производится суммирование всех значений расходов, приведенных в графе 5.

В графе 7 табл.2 вычисляют модульные коэффициенты К. Первой проверкой правильности вычисления Q0 является получение равенства Ki=n или Ki=25. Для этого суммируют значения величин графы 7.

Следующим параметром, определяющим  кривую обеспеченности, является коэффициент  изменчивости Cv, вычисляемый по формуле. Для вычисления Cv в табл.2 используют графы 8 и 9 . В графе 8 определяют отклонения модульных коэффициентов от 1, а в графе 9-квадраты этих отклонений.

 Сумма всех значений графы 8 является второй проверкой правильности расчетов. Т.к отклонение Ki-1 имеют как положительные, так и отрицательные значения, то Ki-1=0.

Следующий параметр, определяющий кривую обеспеченности- это коэффициент асимметрии Cs, характеризующий асимметричность ряда исследуемых величин, относительно их среднего значения или центра распределения. Для определения этой величины предлагается формула, используемая при большем числе членов ряда.

Оценка производительности рядов годового стока для непосредственного  расчета по этим рядам параметров кривых обеспеченности производится следующими методами:

А)величина относительной квадратичной ошибки средней многолетней величины ряда вычисляется по формуле: ∑Q=*100%. Длина ряда считается достаточной для определения Q0 и Cv, если ∑Q≤5-10%, а ∑Cv≤10-15%; величина среднего годового стока при этом условии называется нормой стока.

Б) величина относительной  средней квадратичной ошибки коэффициента изменчивости при определении Cv методом моментов вычисляется по формуле: ∑Cv=*100%

Вычисление средней теоретической  кривой обеспеченности производится по методу моментов для получения раннее значений Q0, Cv,Cs. Для этого используют таблицы отклонений ординат кривой обеспеченности от середин его значения при Cv=1,0 , в зависимости от коэффициента Cs и обеспеченности Р.

Ордината теоретической  кривой обеспеченности равна: Kp=Ф*Cv+1. По данному выражению, задаваясь различными обеспеченностями Р, находят ординаты Kpи строят теоретическую кривую обеспеченности. Расчет теоретической кривой проводят по табл.3.

В табл. 3 значения обеспеченности Р для построения кривой обеспеченности принимают такими же, как в табл.2. Значения Cs в первой части таблицы вычисляют по формуле. Далее для этого значения Cs из приложения для каждого принятого значения Р выписывают в сроке 1 отклонения ординаты кривой обеспеченности от середины Ф. По формуле Кр=Ф*Cv+1 определяют соответствующие значения модульных коэффициентов Кр. (строка 2). Для полученных значений Кр вычисляют соответствующие им значения годовых расходов по формуле: Qp=Kp*Q0. Такие же расчеты проводят во второй части таблицы 3 для другого значения коэффициента Cs=2Cv.

Таблица 3 дает значения ординат  теоретической кривой обеспеченнос ти для значений Cs. Эти кривые строят на рис.1, где сопоставляют полученные эмпирические кривые с аналитическими значениями наблюденных расходов.  

                                                      Таблица 3

Обеспеченность, Р%

0,1

1

5

10

20

30

40

50

60

70

80

90

97

99

Значения Ф

3.52

2.54

1.72

1.31

0.82

0.48

0.2

-0.05

-0.3

-0.56

-0.85

-1.24

-1.75

-2.10

Модульные коэффициенты

Kp=Ф*Cv+1

2.65

2.49

1.8

1.62

1.38

1.22

1.09

0.98

0.86

0.74

0.6

0.42

0.32

0.01

Ординаты 

Qp=Q0*Kp

70.4

58.2

47.8

42.8

36.6

32.4

28.9

26.0

22.8

19.6

15.9

11.1

8.5

0.34

Значения Ф(Сs=2Cv)

4.38

2.96

1.86

1.34

0.77

0.40

0.11

-0.15

-0.38

-0.61

-0.85

-1.15

-1.47

-1.56

Модульные коэффициенты

Kp=Ф*Cv+1

3.06

2.39

1.87

1.63

1.36

1.19

1.05

0.93

0.82

0.71

0.6

0.46

0.31

0.27

Ординаты Qp

81.3

63.5

49.7

43.3

36.1

31.6

27.9

24.7

21.8

18.8

15.9

12.2

8.23

7.2


 

∑(Ki-1)2=5.34

∑(Ki-1)3=1.20

Q0=26.56 м3/с

Вычислим коэффициент  вариации: Cv=  ==0,47

Вычилим коэффициент ассимметрии: Cs===0.46

Cs=2Cv=0.94

Пользуясь приложением 1, находим значения Ф. Определяем модульный коэффициент Кр=Ф*Cv+1- заносим в таблицу 3. Определяем ординату кривой Qp=Q0+Kp

Найдем относительную  среднюю квадратичную ошибку средней  многолетней величины ряда: ∑Q=*100%=*100%=9.4%

Найдем среднюю квадратичную ошибку коэффициента изменчивости по формуле: ∑Cv=*100%=*100%=15%

 

 

 

 

    1. Водохозяйственные расчеты

2.1 Установление необходимости  и вида регулирования стока  реки.

Таблица 4

Внутригодовое

распределение

Месяцы

Год

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

Расхода в % от годового

4.8

7.2

10.7

14.7

17.5

12.0

7.9

6.3

4.6

4.3

6.2

3.8

100

Расхода, Q,м3/с

7.7

11.6

17.2

23.6

28.1

19.3

12.7

10.1

7.4

6.9

9.9

6.1

160.0

Qср*12

Сток,V, м3

20.6

28

46

61

75.2

50

34

27

19.2

18.5

25.7

16.3

421.5

Внутригодовое потребление,U, м3/с

30

30

30

30

30

30

30

30

30

30

30

30

30


 

Qр=13.4 м3/с (1975)

V=Qр*31*24*60*60=             *106 м3

V1=7.7*31*24*60*60= 20.6 *106 м3

V2=11.6*28*24*60*60= 28 *106 м3

V3=17.2*31*24*60*60= 46 *106 м3

V4=23.6*30*24*60*60= 61 *106 м3

V5=28.1*31*24*60*60= 75.2 *106 м3

V6=19.3*30*24*60*60= 50 *106 м3

V7=12.7*31*24*60*60= 34 *106 м3

V8=10.1*31*24*60*60= 27 *106 м3

V9=7.4*30*24*60*60= 19.2 *106 м3

V10=6.9*31*24*60*60= 18.5 *106 м3

V11=9.9*30*24*60*60= 25.7 *106 м3

V12=6.11*31*24*60*60= 20.6 *106 м3

 

 

 

 

Неравномерность внутригодового распределения стока рек, ежегодно повторяющиеся периоды чередования  понижения и повышения расходов межени и половодья, несовпадение графиков отдачи и стока во времени обуславливают  необходимость регулирования стока  реки. Чтобы полнее использовать естественные водные ресурсы, приспособить их режим  к производственному режиму потребной  отдачи, речной сток регулируют водохранилищами.

Необходимость регулирования  стока реки устанавливается путем  сопоставления расчетного годового стока реки расчетной обеспеченности и годового объема хозяйственного водопотребления:

  1. Если в отдельные месяцы V<U, следовательно, необходимо регулирование стока. В нашем случае, исходя из табл.4 видно, что в отдельные месяцы, например в январе, значение V<U (20,6м3<30м3/с). Следовательно, регулирование стока необходимо.
  2. Если Vгода<Uгода, то достаточно сезонного регулирования стока. В нашем случае Vгода<Uгода (421,5м3<360м3/с). Достаточно сезонного регулирования стока.
  3. Если Vгода>Uгода, то требуется проведение многолетнего регулирования стока.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    1. Характеристики водохранилища

Водохранилище- искусственный водоем, образованный водоподпорным сооружением на водотоке для хранения воды и регулирования стока. Водоподпорным сооружением (плотиной) водоток и его долина разделяются на два участка. На участке выше плотины до места сопряжения кривой подпора с расчетным уровнем водотока, повышаются уровни воды, снижаются скорости и образуется водохранилище. На участке ниже плотины в результате регулирования стока режим водотока нарушается и отличается от естественного. Размеры водохранилища определяются нормативными уровнями и объемами.

При регулировании стока, как правило, различают три предельных нормативных уровня: нормальный подпорный  уровень (НПУ)- максимальный проектный  уровень верхнего бьефа, который  может поддерживаться в нормальных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений; форсированный подпорный  уровень ФПУ; уровень мертвого объема (УМО)- проектный уровень максимальной технически допустимой сработки водохранилища, предусмотренной расчетом регулирования стока в условиях нормальной эксплуатации. Между форсированным и нормальным подпорным уровнем размещается емкость (объем форсирования) Vф, между нормальным подпорным уровнем и уровнем мертвого объема –полезная емкость (объем)-Vплз и между уровнем мертвого объема и подземным контуром чаши и водохранилища- мертвый объем Vм.о

Каждому водоему, проектируемому или находящемуся в эксплуатации, в зависимости от топографических  условий притока соответствует  определенная связь между уровнями воды V, площадями водной поверхности Ωи уровнями воды Н. Эту связь можно выразить зависимостями Ω=f1(H) и V=f2(H), которые называют кривыми площадей и объемов. Характеристику водохранилища строят в прямоугольных координатах: на оси ординат откладывают уровни, на оси абсцисс- площади и объемы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    1. Сезонно-годичное регулирование стока

При сезонно-годичном регулировании  речной сток перераспределяется водохранилищем в течение года. Ежегодно водохранилище  наполняется стоком предыдущего  календарного половодья, срабатывается  во время межени, наполняя ее сток до величины отдачи. Начальное и конечное наполнение за календарный год равно  мертвому объему. Цикл регулирования  стока ограничен водохозяйственным  годом, начинающимся с даты половодья, при которой расход отдачи и притока равны. В зависимости от требований потребителей выбирается расчетный год, водностью отвечающий заданной обеспеченности. Расчеты водохранилища с использованием данных гидрометрических наблюдений проводятся таблично-цифровым или графоаналитическими способами.

      1. Таблично - цифровой способ расчета

Таблично- цифровой способ расчета позволяет при наличии исходных данных получать результаты регулирования, решая уравнение баланса воды по интервалам времени. Расчет производят по месячным интервалам времени в два этапа: предварительный- без учета потерь на фильтрацию и испарение и окончательный- с учетом последних. Расчет начинают с интервала, в котором сток превышает отдачу. Затем для каждого интервала времени вычисляют начальные и конечные наполнения. Конечные наполнения отдачи интервала являются начальными для последнего. За начальное наполнение принимают мертвый объем. На дату начала и окончания расчета конечное наполнение одно и то же.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 5

Расчет водохранилища  водного регулирования 

(объем стока, отдач,  потерь и наполнений в млн.м3)

Месяцы

Расчетный

сток Vр, м3

Плановая

Отдача, Uп,

м3/с

Сток минус отдача Vр-Uп

Конечное

наполнение

Vк

Сброс S

+∆в

-∆d

1

2

3

4

5

6

7

март

46

30

16

-

6.17

-

апрель

61

30

31

-

22.17

-

май

75.2

30

45.2

-

53.17

-

июнь

50

30

20

-

60.87

37.5

июль

34

30

4

-

60.87

20

август

27

30

-

3

60.87

4

сентябрь

19.2

30

-

10.8

57.87

-

октябрь

18.5

30

-

11.5

47.07

-

ноябрь

25.7

30

-

4.3

35.57

-

декабрь

16.3

30

-

13.7

31.27

-

январь

20.6

30

-

9.4

17.57

-

февраль

28

30

-

2

8.17

-

Итого:

421.5

360

130.2

Vплз=54.7

6.17

61.5


 

Определение величины МО производим по формуле:

Vмо=                  (млн.м3)

ρ- средняя многолетняя  мутность воды-90  г/м3=0.00009 т/м3

Q0- 26.56 м3/с

t-расчетный срок эксплуатации водохранилища-90 лет

γн- объемный вес наносов, равный 1.1 т/м3

Подставив значения в формулу, найдем Vмо:

Vмо=   = (млн.м3)

Vплз=54.7 млн.м3

Vполн=Vплз+Vмо=60.87 млн.м3

 

 

 

    1. Потери воды из водохранилища на испарение и фильтрацию.

Потери на фильтрацию происходят:

а)через тело грунтовой плотины и неплотности затворов водосбросных отверстий;

б) через основание плотины  и ее примыкания к берегам;

в) через грунты ложа и  берегов водохранилища.

Первые два вида потерь на фильтрацию определяются при проектировании сооружений гидроузла и для их уменьшения могут быть проведены  противофильтрационные мероприятия. При расчете потерь на фильтрацию через грунты ложа и берегов водохранилища  используют результаты гидрологических  исследований  в зоне создания водохранилища. При приближенных расчетах можно  принять потери на фильтрацию в виде слоя воды с наличной площади зеркала  водохранилища. Величину слоя фильтрации hф в год принимают при условиях: хороших- до 0.5 м; средних- 0.5-1.0 м, плохих- 1.0-2.0 м в год.

Объем потерь на фильтрацию Vф (м3/год) вычисляют по зависимости :

Vф= hф*Ω*105=0.9*21.5*105=1.93 млн.м3, где Ω- площадь зеркала водохранилища (км2), при некотором среднем наполнении водохранилища Vр:

Vр=(0.5-0.6)Vполн=0.5*60.87=30.4 млн.м3

Для определения Ω на рис. по расчетному объему Vр рассчитывают глубину наполнения водохранилища Н. При создании водохранилища в результате увеличения площади водной поверхности появляются дополнительные потери на испарение, которые выражены в виде слоя воды ∆Z, равного разнице величины испарения с поверхности воды и суши за один и тот же промежуток времени и составляет:

∆Z=Zв-Zс=70-40=30 мм, где Zв- слой испарения с водной поверхности, мм;

                                                 Zс- слой испарения с поверхности суши, мм;

Поверхность, с которой  происходит испарение, является площадью зеркала водохранилища, изменяется во времени в зависимости от его  наполнения.

Объем потерь на испарение  Vи (в м3) можно приближенно определить из выражения Vи=∆Z*Ω*104=30*21.5*104=6.45 млн.м3

С учетом потерь на фильтрацию и испарение величина полного  объема водохранилища будет равна:

Vполн= Vплз+Vф+Vи+Vмо=54.7+1.93+6.45+6.17=69.2 млн.м3

Т.к величина отдачи из водохранилища  складывается из годового объема хозяйственного водопотребления Vх.п, объема потерь на фильтрацию и испарение, то годовой объем стока Vг находят по формуле:

Комплексный проект «Водохранилищный гидроузел с грунтовой плотиной» 📙 Курсовая → 🆔 106252

Комплексный проект «Водохранилищный гидроузел с грунтовой плотиной» 📙 Курсовая → 🆔 106252

Комплексный проект «Водохранилищный гидроузел с грунтовой плотиной»