Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Проект водохранилищного гидроузла

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт природообустройства

Кафедра гидравлики, сельскохозяйственного водоснабжения и водоотведения

Курсовой проект

«Проектирование водохранилищного гидроузла»

Выполнил:

Вершинская Д.М.

ст. гр. 684

Проверил:

Шишкин А.В.

Барнаул 2012

Содержание

Задание 3

1. Конструирование поперечного профиля земляной плотины 5

2. Выбор типа крепления верхового откоса и его расчет 9

3. Фильтрационный расчет грунтовой плотины 11

3.1. Фильтрационный расчет через тело плотины 11

3.2. Фильтрационный расчет через основание плотины 16

4. Предварительная проверка устойчивости плотины 17

5. Расчет величины осадки основания земляной плотины 19

6. Расчет устойчивости низового откоса графоаналитическим способом 23

7. Водопропускные сооружения при плотинах из грунтовых материалов 32

7.1. Общие сведения о водопропускных сооружениях 32

7.2. Проектирование водосбросного сооружения 34

7.2.1. Выбор трассы и построение продольного профиля по оси водосбросного сооружения 34

7.2.2. Выбор типа сопрягающего сооружения. 40

8. Гидравлический расчет подводящего канала 40

9. Проектирование и расчет сопрягающих сооружений 44

9.1.конструктивные особенности 44

9.2. Гидравлический расчет быстротока 47

10. Расчет донного водоспуска 51

Задание

к курсовому проекту по теме: «Проектирование водохранилищного гидроузла»

Исходные данные:

1. Грунт тела плотины и основания: суглинок

2. Глубина воды в ВБ Н₁= 6,3 м

3. Глубина воды в НБ Н₂= 0 м

4. Мощность водопроницаемого слоя Т= 8,2 м

5. Коэффициент фильтрации К_ф=0,012 м/сут

6. Угол между осью водоема и направлением ветра =60º

7. Длина разгона волны L= 2,5 км

8. Максимальная скорость ветра W= 15,5 м/с

9. По гребню проходит автомобильная дорога ___ категории (ширина гребня плотины составит b_п= 6,0 м)

10. Коэффициент заложения верхового откоса m₁=2,5

11. Коэффициент заложения низового откоса m₂=1,75

12. Расход сбросного сооружения Q_с= 18 м³/с

13. Расход водоспуска Q_в= 2,2 м³/с

14. Глубина воды в начале подводящего канала h₁=1,7 м

15. Глубина воды в конце подводящего канала h₂=2,0 м

16. Тип дренажа - трубчатый

Ф.И.О. студента Вершинская Дарья Михайловна

Задание выдал ст. преподаватель А. В. Шишкин

Конструирование поперечного профиля земляной плотины

Основной задачей проектирования поперечного профиля плотины является определение отметки гребня плотины и его ширины, а также назначение заложения откосов плотины. Размеры поперечного профиля зависят от типа плотины, ее высоты, характеристик грунта тела плотины и ее основания, а также условий строительства и эксплуатации.

При конструировании поперечного профиля необходимо установить высоту плотины, ширину гребня и др. (рис1.1).

Высота плотины определяется по формуле:

, (1.1)

где Н₁ – глубина воды в верхнем бьефе, м;

d₀ – превышение гребня над уровнем воды верхнего бьефа, м.

Превышение d₀ можно определить по формуле:

, (1.2)

где h_н – высота наката волны (рис. 2.4), м;

∆h – высота ветрового нагона волны, м;

а – запас высоты плотины, принимается не менее 0,5 м.

Рис. 1.1 Элементы земляной плотины

а) поперечный профиль; б) продольный разрез; в) элементы крепления гребня; Н_П – высота плотины; Н₁ – глубина воды в верхнем бьефе; Н₂ - глубина воды в нижнем бьефе; Н – напор; b_n – ширина гребня; b_б – ширина бермы; m₁ – заложение верхового откоса; m₂ – заложение низового откоса; В_П – ширина плотины по основанию; L_П – длина плотины по гребню; Т – толщина водопроницаемого слоя, м.

Рис 1.2 Элементы волны

1 – расчетный уровень воды (уровень спокойной воды); 2 – средняя волновая линия; 3 – вершина волны; 4 – подошва волны; λ – длина волны; α – угол наклона откоса; h_в – высота волны.

Высота наката волны определяется по формуле Н. Н. Джунковского:

(1.3)

где k – коэффициент равный 1 – для гладкого откоса, 0,77 – для откоса из каменной наброски;

tgα – тангенс угла наклона откоса;

h_в – высота волны, которую можно определить по формуле В. Г. Андреянова:

(1.4)

где W – максимальная скорость ветра на высоте 2 м от уровня земли, м/с;

L – длина разгона волны, км.

Высоту ветрового нагона определяют по формуле:

, (1.5)

где W₁₀ – скорость ветра на высоте 10 м над уровнем водоема, м/с;

(1.6)

α₁ – угол между осью водоема и направлением ветра;

Н₁ – глубина воды в верхнем бьефе, м;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

k₁ – коэффициент зависящий от отношения ,

где λ – длина волны, м.

Для низконапорных плотин k₁=6·10^-3.

Длина волны определяется по формуле:

(1.7)

Ширина гребня плотины назначается по нормам проектирования дорог. Минимальная ширина гребня 4,5 м (СНиП 2.06.05-84). Для безопасного движения транспорта по гребню плотины устраивают надолбы. На высоких плотинах с напорной стороны иногда устраивают сплошной парапет.

Для стока воды гребень устраивается выпуклым с уклоном 20-40 ‰. В пределах дороги гребень покрывается слоем щебня, асфальтом.

Заложение откосов зависит от высоты плотины и свойств грунта, из которого она сложена. Верховой откос принимается более пологим, чем низовой.

Для плотины IV класса заложение рекомендуется принимать согласно таблице 1.1.

При высоких плотинах откосы строят с переменным уклоном: в верхней части более крутым, в нижней части – более пологим.

Для предохранения низового откоса от размыва дождевыми или талыми водами через 10 – 15 м по высоте устраивают бермы шириной 2 – 3 м, а при условии проезда по ним – шириной 6 м и более. На внутренней стороне бермы с целью предотвращения фильтрационной деформации, для отвода профильтровавшейся воды, повышения устойчивости низового откоса устраивают кювет. Для земляных плотин высотой до 5 м дренаж не рекомендуется.

Таблица 1.1

Заложение откосов земляных насыпных плотин

Тип плотины	Заложение откосов при высоте плотины, м
	до 5		от 5 до 10		от 10 до 15
	верхового	низового	верхового	низового	верхового	низового
Однородные без дренажа: глинистые гр. песчаные гр.	2,00 2,50	1,75 2,00	2,50 2,75	2,00 2,25	3,00 3,00	2,25 2,25
Однородные с дренажем: глинистые гр. песчаные гр.	2,00 2,50	1,50 1,75	2,50 2,75	1,75 2,00	3,00 3,00	2,00 2,00
Песчаные с суглинистым экраном без дренажа	2,25	2,00	2,50	2,25	3,00	2,50
Песчаные с суглинистым ядром без дренажа	3,00	2,00	3,00	2,00	3,25	2,50

Ширина основания плотины составит:

где b – ширина гребня плотины, м

m_1, m₂ – заложение верхового и низового откоса.

Выбор типа крепления верхового откоса и его расчет

Для защиты верхового откоса от разрушающего воздействия ветровых волн, льда, течения воды, атмосферных осадков и других факторов СНиП 2.06.05-84 рекомендует следующие виды креплений: каменное, бетонное, железобетонное, асфальтобетонное, биологическое.

Задавшись типом крепления, определяют его границы, основные параметры (размеры камня, плит и др.) и подбирают состав подготовки под покрытие.

1) Толщина крепления одиночной или двойной мостовой:

, м, (1.8)

где η=1,2 – 1,5 – коэффициент запаса;

Р=0,178h_в – давление, возникающее при сбегании воды, т/м²;

h_в – высота волны, м;

γ_кл=2,0 – 2,5 – объемный вес каменного крепления, т/м³;

m – заложение откосов

2) Толщина каменной наброски определяется по формуле:

(1.9)

где D – диаметр камня приведенного к шару, м

, (1.10)

где γ_к – удельный вес камня, т/м³;

Q – расчетный вес отдельных камней:

, т (1.11)

где А=7,2 при <15 ;

А=8,2 при >15

3) Толщина бетонного покрытия определяется по формуле:

, м, (1.12)

где γ_б=2,2÷2,5 – объемный вес бетона, т/м³;

b – размер плиты в направлении падения откоса, м.

Монолитные плиты толщиной 0,15 …0,5 м имеют размеры от 5*5 до 20*20 м и более.

Сборные плиты делают толщиной от 0,08…0,1 до 0,15…0,2 м и размером от 1,5*1,5 до 5*5 м в зависимости от грузоподъемности транспортных средств и механизмов.

принимаем b=5 м

т.е. толщина бетона 5,5 см

Фильтрационный расчет грунтовой плотины

Под фильтрацией следует понимать движение жидкости (газа) в пористой или трещиноватой среде. Пространство, занятое потоком в таких породах, называют областью фильтрации. В гидротехнических сооружениях причиной фильтрации служит разность уровней в бьефах.

В соответствии со СНиП 2.06.05-84 фильтрационные расчеты следует выполнять для определения фильтрационной прочности тела плотины, ее основания и берегов; расчета устойчивости откосов плотины и берегов; обоснования наиболее рациональных и экономичных форм, размеров и конструкций плотины, ее противофильтрационных и дренажных устройств.

В ходе выполнения расчетов определяют положение депрессионной кривой, фильтрационный расход воды через тело плотины и ее основание, скорости и градиенты напора фильтрационного потока в теле плотины, основания, а также в местах выхода фильтрационного потока в дренаж, в нижний бьеф, в местах контакта грунтов с различными характеристиками и на границе противофильтрационных устройств.

Способы и схемы фильтрационных расчетов с большей надежностью разработаны для плотин, расположенных на водонепроницаемом основании. Под водонепроницаемым понимают такое основание, коэффициент фильтрации которого по сравнению с коэффициентом фильтрации тела плотины настолько мал, что может быть приравнен к нулю.

Порядок расчета

Расчет ведут при двух независимых предположениях.

Вначале считают, что плотина водопроницаема, а основание водонепроницаемо, и для этой схемы определяют фильтрационный расход через тело плотины q_Т и строят кривую депрессии.

Затем принимают схему, в которой плотину считают водонепроницаемой, а основание водопроницаемым и определяют фильтрационный расход через основание q₀.

Общий фильтрационный расход определяется как сумма расходов через плотину и основание:

3.1. Фильтрационный расчет через тело плотины

При фильтрационном расчете используем метод эквивалентного профиля.

Однородная плотина с трубчатым дренажем на водонепроницаемом основании (рис.1.3).

Трубчатый дренаж применяют, как правило, на тех участках плотины, где воды в нижнем бьефе нет или она появляется на короткое время. Такой дренаж выполняют из бетонных или асбестоцементных перфорированных труб, диаметр которых определяют гидравлическими расчетами, принимая его не менее 200 мм.

Трубы делаются с обсыпкой обратным фильтром или с незаделанными стыками. Трубы укладываются в тело плотины вдоль низового
откоса на расстоянии от его подошвы не больше 1/4-1/3 ширины
плотины по основанию и не меньше глубины промерзания. Вокруг
дренажной трубы укладывается сначала слой гравия или щебня,
затем слой песка. Общая толщина слоев 0,4-0,6 м.

Для отвода воды из трубчатого дренажа в нижний бьеф по
длине плотины устраиваются отводящие дрены (коллекторы), вы-
ходящие в кювет, который проходит параллельно подошве плоти-
ны.

Особенность данного случая состоит в том, что воды в нижнем бьефе нет.

Рис.1.3. Расчетная схема плотины с трубчатым дренажем

Ширина эквивалентного профиля плотины по основанию:

Положение вертикальной оси (у) определяется расстоянием от точки сопряжения линии свободной поверхности в верхнем бьефе с линией верхового откоса:

Фильтрационное уравнение имеет вид:

Кривую депрессии строят по уравнению Дюпюи:

задаваясь не менее 6 раз значениями x в диапазоне от x=∆L+1 до x= L_р – m₂h₁ по этой формуле строят кривую депрессии.

Участок примыкания депрессионной кривой к верховому откосу должен быть ему перпендикулярен.

	1	2	3	4	5	6	7	8
x	2,45	3,45	5,78	8,11	10,44	12,77	15,1	17,45
y	6,3	5,6	5,1	4,5	3,9	3,1	2,1	0

3.2. Фильтрационный расчет через основание плотины

Фильтрационный расход через основание плотины определяют по формуле:

, м³/сут

где К₀ – коэффициент фильтрации основания плотины, м/сут.

Т – глубина водопроницаемого основания, м.

В_пл – ширина плотины по основанию, м.

n – поправочный коэффициент, определяемый в зависимости от отношения :

	20	5	4	3	2	1
n	1,15	1,18	1,23	1,30	1,44	1,87

Рис. 3.2. Расчет фильтрации через основания земляных плотин

Суффозия отсутствует, если:

Суффозионную устойчивость основания определяем по формуле:

где

- скорость фильтрационного потока при выходе в НБ, м/с.

- уклон кривой депрессии при выходе из основания. Определяется как:

Условие выполняется, суффозии через основание плотины не будет.

Предварительная проверка устойчивости плотины

Принятые откосы плотины необходимо проверить на устойчивость против сползания. С этой целью пользуются графиками ВНИИ Водгео, инженера Б.М. Лолиза и физико-механическими характеристиками грунтов, приведенными в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Физико-механические характеристики грунтов

Грунты	Угол внутреннего трения, φ ⁰		Удельное сцепление, С, т/м²	Относи-тельная пористость	Удельный вес, т/м³	Объемный вес, т/м³
Грунты	при естественной влажности	при насыщении	Удельное сцепление, С, т/м²	Относи-тельная пористость	Удельный вес, т/м³	Объемный вес, т/м³
Глина	40 – 45	12 – 18	2,5 – 8,0	0,45– 0,60	2,74	1,75– 1,90
Суглинок	35 – 40	19 – 25	1,5 – 4,0	0,40– 0,50	2,71	1,80– 2,10
Супесь	20 – 23	25 – 30	0,5 – 1,2	0,30– 0,45	2,70	1,95– 2,10
Песок	20 – 27	30 – 35	0,1 – 0,8	0,30– 0,40	2,66	1,90– 2,05
Растительный ил	–	–	–	–	–	1,40– 1,60

Задавшись коэффициентом запаса на устойчивость , вычисляют выражение:

где С – удельное сцепление грунта, т/м²;

γ – удельный вес грунта, т/м³;

η – принятый коэффициент запаса на устойчивость;

Н_П – высота плотины, м.

Пользуясь полученным значением и углом внутреннего трения (φ), по графику (рис. 4.1.) находим безопасный угол откоса и сравниваем с принятым ранее: .

Оползание отсутствует если:

В случае, если откос неустойчивый, то необходимо:

1) увеличить заложение откоса;

2) устройство упорной призмы;

3) замена грунта (другой карьер)

При наличии бермы и откосов различной крутизны, заложение откоса осредняется. Для проверки откоса по графику Б.М. Лолиза предварительно вычисляют значения: и , где и , по которым находят допустимое заложение откоса и сравнивают с ранее принятым (рис. 4.1).

Рис. 4.1. График для расчета устойчивости откосов

35°>28°

_{Откосы
устойчивы.}

Расчет величины осадки основания земляной плотины

Расчет осадки тела и основания плотины проводят для определения требуемого строительного подъема плотины, а также для уточнения объема работ по ее возведению. Его выполняют в характерных поперечных сечениях плотины по нескольким вертикалям, проходящим в элементах плотины из различных материалов (ядре, экране, призме и др.).

В процессе возведения плотины насыпь уплотняется до объемной массы скелета γ=1,6÷1,7 т/м³. Поэтому считается, что дальнейшее уплотнение под действием собственного веса не происходит. Основные деформации возникают из-за уплотнения грунтов основания весом плотины. Расчет величины осадки основания (рис. 5.1) выполняется по формуле: