Проект волнозащитной плотины

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«КАМЧАТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

 

КАФЕДРА «ЗАЩИТА  ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ВОДОПОЛЬЗОВАНИЕ»

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

по дисциплине «ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ КОМПЛЕКСНОГО И ОТРАСЛЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ»

 

Тема: «Проект волнозащитной плотины»

 

Выполнил студент  группы 10-КИ _________ Рыжков Я.В. ________________

Проверил: доцент., к. г. н. ____________ Ивашкевич Г.В. __________________

Оценка «___________________»

 

Петропавловск-Камчатский 2013

 

ФГБОУ ВПО КАМЧАТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА: «Защита окружающей среды и водопользование»

 

 

ЗАДАНИЕ

на курсовой проект

Рыжков Я.В.

 

1. Тема: «Проект волнозащитной плотины»

2. Дата  выдачи задания: « 04»    сентября   2013г.

3. Основание для разработки: задание на курсовой проект, учебный план кафедры

4. Цель разработки: приобретение навыков расчета гидротехнических сооружений

5. Источники разработки:

  1. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия.
  2. СНиП 2.06.04-82. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения.
  3. СНиП 33-01-2003. Гидротехнические сооружения.

 

6. Ожидаемые результаты внедрения: в качестве учебной работы

7. Перечень отчетной документации: курсовой проект на 52 листов.

8. Дата сдачи задания:

 «  28  »   декабря 2013г.

Задание принял к исполнению студент _____________________ Рыжков Я.В.

Руководитель  курсового проекта _________________________ Ивашкевич Г.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

АННОТАЦИЯ

Курсовой проект по дисциплине «Гидротехнические сооружения комплексного и отраслевого назначения» на тему «Проект волнозащитной плотины».

Целью проекта  является изучение типов, видов и  конструкций плотин, приобретение навыков  расчета этих гидротехнических сооружений. В качестве объекта выбрана земляная плотина, предназначенная для целей защиты от волнового воздействия речных вод.

Задачей курсового проекта является:

  • определение типа конструкции;
  • расчет отметки гребня плотины;
  • расчет характеристик ветра;
  • расчет элементов волн и уровня воды;
  • учет осадки при расчете высоты плотины;
  • заложение и крепление откосов плотины.

Ключевые слова: ПЛОТИНА, ВЕРШИНА, ФИЛЬТРАЦИЯ, БЪЕФ, ФРОНТ, СОПРЯЖЕНИЕ, ОТКОС, ГРЕБЕНЬ, ДЕПРЕССИОННАЯ КРИВАЯ, ПОНУР, ЛОЖБИНА, НИЗОВОЙ ОТКОС, НАКАТ, ЯДРО ПЛОТИНЫ, ВОДОУПОР, ГРУБУНЬ ПЛОТИНЫ, НИЖНИЙ БЪЕФ, СУФФОЗИЯ, ГИДРОУЗЕЛ.

Курсовой проект содержит: пояснительная записка 52 страниц, список литературы из 12 источников, таблиц, рисунков, генплан.

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение            6

2. Теоретический раздел         8

2.1 Плотина          8

2.2 Расчет отметки гребня плотины       11

2.3 Расчетные уровни воды        16

2.4 Расчетные характеристики ветра      16

2.5 Расчет элементов волн        19

2.6 Учет осадки при расчете высоты плотины     23

2.7 Подбор поперечного профиля плотины     25

2.8 Заложение откосов плотин       30

2.9 Определение крутизны волноустойчивого неукрепленного

откоса плотин из песчаного грунта при «профиле динамического равновесия»          34

2.10 Крепление откосов плотины       36

3. Расчетный  раздел           45

3.1 Расчет отметки гребня плотины       45 3.2 Расчет осадки гребня        47 3.3 Определение крутизны волноустойчивого неукрепленного

откоса           49 3.4 Расчет массы камня для крепления откосов     50

4. Заключение           51

5. Список использованных  источников       52

       

ВВЕДЕНИЕ

 

Под гидротехническим сооружением (ГТС) понимаются сооружения, подвергающиеся воздействию водной среды, предназначенные для использования и охраны водных ресурсов, предотвращения вредного воздействия вод, включая плотины, здания гидроэлектростанций, водосбросные, водоспускные и водовыпускные сооружения, туннели, каналы, насосные станции, судоходные шлюзы, судоподъемники; сооружения, предназначенные для защиты от наводнений и разрушений берегов водохранилищ, берегов и дна русел рек, сооружения, ограждающие хранилища жидких отходов промышленных и сельскохозяйственных организаций; устройства от размывов на каналах, сооружения морских нефтегазопромыслов и т.д.

По назначению ГТС подразделяются на:

1) водоподпорные (плотины и дамбы)  – сооружения, перекрывающие естественные водотоки или рельеф овражно-балочного типа с целью накопления поверхностного стока (воды) с последующим его перераспределением во времени для подачи водопотребителям;

2) водосбросные (сифоны, шахтного типа, открытые  сооружения, служащие для сброса  излишков воды из прудов и  водохранилищ (в основном в паводковый период) или для их частичного или полного опорожнения. Эти сооружения должны иметь пропускную способность не допускающую перелива воды через гребень плотины или дамбы (на прудах и малых водохранилищах обычно применяются водосбросы сифонные и шахтного типа с пропускной способностью до 150 м3/с, на больших водохранилищах – открытые водосбросы с пропускной способностью до 2-3 тыс. м3 /с);

3) водопроводящие  – сооружения, служащие для переброски  воды в нужные для производственного  цикла места (каналы, туннели,  лотки, трубопроводы, водоотводные тракты);

4) водозаборные  – сооружения, служащие для забора воды из источников и подачи ее потребителям (шпоры – из прямого тока реки, башенные – из водохранилищ);

5) регуляционные  (выправительные) – сооружения, улучшающие  естественные условия протекания  водотоков и защищающие русла  и берега рек от размыва, отложения наносов, воздействия льда и т.д. (спрямляющие каналы, берегоукрепительные сооружения, струенаправляющие дамбы);

6) специальные – сооружения, служащие для складирования отходов переработки минерального сырья (шламонакопители, хвостохранилища, рассолохранилища и др.), сооружения гидро- и селезащиты, пруды-охладители, градирни, брызгальные бассейны и т.д.

В данном курсовом проекте проведено проектирование  грунтовой плотины, водосбросов, водобойного колодца и водовыпуска (байпаса).

В качестве исходных данных выданы характеристики грунтов основания, расчётные уровни воды в проектируемом водохранилище, расчётные расходы воды в реке на строительный и эксплуатационный периоды, длина разгона волны, скорость ветра, а также физико-технические данные о грунтах ближайших к створу проектируемой плотины карьеров.

 

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

2.1 Плотина

 

Плотина – это основной тип водоподпорных сооружений, перегораживающих водоток и его долину для подъема уровня воды, сосредоточения напора и создания водохранилища. Водное пространство, расположенное выше плотины, называется верхним бьефом, ниже плотины – нижним бьефом. Разность уровней верхнего и нижнего бьефов называется напором. Грань плотины, обращенная к воде, называется напорной, или верхней, а грань, обращенная к нижнему бьефу, – низовой. Верх плотины называется гребнем, а линия сопряжения ее с основанием – подошвой, по способу пропуска через них воды – на глухие (не допускающие перелива воды через их гребень) и водосливные.

Согласно [СНиП 33-01-2003], тип и конструкция плотины выбирается на основании технико-экономического сравнения вариантов в зависимости от ее функционального назначения, инженерно-геологических, топографических, гидрологических и климатических условий, с учетом сейсмичности района, компоновки гидроузла, параметров сооружения, схемы организации производства работ, наличия местных строительных материалов, сроков строительства и условий эксплуатации плотины.

Плотины из грунтовых материалов следует  применять для глухих участков напорного фронта гидроузлов, бетонные плотины – преимущественно для створов со скальным основанием для водосбросных участков напорного фронта гидроузлов, железобетонные плотины – преимущественно для створов с нескальным и вечномерзлым нескальным основаниями с оттаиванием для водосбросных участков напорного фронта гидроузлов.

При выборе конструкции дамб следует  отдавать предпочтение однородным насыпным и намывным сооружениям. Плотины, поддерживающие напор лишь в меженный период, при соответствующем обосновании допускается проектировать затапливаемыми.

Плотины из грунтовых материалов в зависимости от материала их тел и противофильтрационных устройств, а также способов возведения,  подразделяют на основные типы [СНиП 2.06.05-84], указанные в табл. 3.1.

Плотины из грунтовых материалов являются наиболее распространенным типом водоподпорных сооружений. Профиль поперечного сечения подобных плотин представляет собой трапецию, боковые стороны которой называются откосами, верхняя горизонтальная сторона – гребнем, нижняя сторона – подошвой. Откос, обращенный к верхнему бьефу, называется напорным или верховым, водным, мокрым, (рис. 3.1) а обращенный к нижнему бьефу – низовым или сухим. Коэффициент откосов плотины,  m,  зависит от состава и физико-механических свойств грунтов плотины и ее высоты и определяется по формуле:

 

m = a/Нпл = ctg j,    (3.1)

 

где а – заложение основания;

Нпл – высота плотины; рис. 3.1.

 

Таблица 3.1

Основные типы плотины из грунтовых  материалов

Тип плотины

Отличительные признаки

Земляная 

насыпная

Грунты от глинистых до гравийно-галечниковых;

отсыпают насухо с уплотнением или в воду

Земляная 

намывная

Грунты от глинистых до гравийно-галечниковых;

намывают средствами гидромеханизации

Каменно-земляная

Грунты тела – крупнообломочные; противофильтрационных устройств – от глинистых до мелкопесчаных

Каменно-набросная

Грунты тела – крупнообломочные; протвофильтрационные устройства –  из негрунтовых материалов


 

Насыпные плотины возводят послойной отсыпкой грунтов насухо с последующим уплотнением механическими средствами или отсыпкой в воду в случае применения просадочных лессовидных грунтов.

Намывные плотины возводят гидромеханизированным способом. В этом случае разработку грунта в карьере, его транспортировку и укладку в сооружение проводят гидравлическим способом при помощи гидромониторов, земснарядов, пульпопроводов и других средств гидромеханизации.

Полунамывные  плотины возводят частично отсыпкой грунта, а частично намывом (центральная зона или низовая призма).

По высоте земляные плотины делят на низкие (напор менее 15 м), средней высоты (напор 15 – 50 м) и высокие (напор более 50 м).

 

 

Рис. 3.1. Поперечный  профиль земляной плотины из однородного грунта: 1 – верховой откос; 2 – гребень; 3 – низовой откос; 4 – основание

 

Земляные насыпные плотины подразделяют на различные типы в зависимости от конструкции поперечного профиля, конструкции противофильтрационных устройств в основании и способа возведения

Выбор конструкции  производится с учетом состава и  объемов грунтов близлежащих  карьеров, а также с учетом их расположения относительно строительного участка. При строительстве плотин из двух видов грунта размеры каждой призмы при строительстве выбирается в зависимости от соотношения объемов грунтов в карьерах.

 

2.2 Расчет отметки гребня плотины

 

При проектировании земляной плотины необходимо подобрать устойчивый и наиболее экономичный профиль сооружения.

Отметку гребня плотины следует назначать согласно [СНиП 2.06.05-84] на основе расчета возвышения его над расчетным уровнем воды для двух случаев стояния уровня воды в верхнем бьефе:

а) при нормальном подпорном уровне (НПУ) или при  более высоком уровне, соответствующем пропуску максимального паводка, входящего в основное сочетание нагрузок и воздействий;

б) при форсированном  подпорном уровне (ФПУ), при пропуске максимального паводка, относимого к особым сочетаниям нагрузок и воздействий.

Проектную отметку  гребня плотины назначают по наиболее неблагоприятному расчетному случаю, округлив полученный результат в сторону запаса. Возвышение гребня плотины hs (рис. 3.2), в обоих случаях определяется по формуле:

 

hs = D hset + hrun 1% + a,    (3.2)

 

где D hset – ветровой нагон воды в верхнем бьефе;

hrun 1%  – высота наката ветровых волн обеспеченностью 1 %;

а – запас возвышения гребня плотины, следует принимать не менее 0,5 м.

Рис. 3.2. Схемы  к определению отметки гребня плотины: а – без парапета; б – с парапетом; 1 – расчетный статический уровень; 2 – уровень воды при ветровом нагоне; 3 – средняя волновая линия; 4– сквозные ограждения на гребне; 5 – отметка гребня; 6 – парапет; 7 – отметка верха парапета

 

При определении  первых двух слагаемых из формулы (3.1) следует принимать обеспеченности скорости ветра для расчета элементов  волн, наката и нагона при основном сочетании нагрузок и воздействий (при НПУ) для сооружений I – II классов 20 %, для III класса – 30 %, для IV класса – 50 %.

При наличии  на гребне плотины сплошного парапета (его высота обычно равна 1,2 – 1,5 м), рассчитанного на воздействие волн, возвышение его верха над уровнем верхнего бьефа надлежит принимать не ниже значений, полученных, по формуле (3.2). Возвышение гребня плотины в этом случае назначают на 0,3 м над НПУ или на отметке ФПУ, причем принимают максимальную из них.

Высоту наката на откос волн обеспеченностью 1 % по накату, hrun1%, м, для фронтально подходящих волн при глубине перед сооружением d ³ 2∙h1%  надлежит определять по формуле:

 

hrun1% = kr ∙kp∙ksp∙krun∙h1% ,    (3.3)

 

где kr и kp – коэффициенты шероховатости и проницаемости откоса, принимаемые по табл. 3.2;

ksp – коэффициент, принимаемый по табл. 3.3;

krun – коэффициент, принимаемый по рис. 3.3 в зависимости от пологости волны на глубокой воде. При глубине перед сооружением d < 2h1% коэффициент krun необходимо принимать для значений пологости волны, указанной на рис. 3.3 в скобках и определяемой при глубине d = 2∙h1%;

h1% – высота волны при обеспеченности равной 1 %.

 

Таблица 3.2

Значения коэффициентов шероховатости и проницаемости откоса

Конструкция крепления откоса

Относительная шероховатость, r/h1%

Коэффициент, kr

Коэффициент kp

Бетонные (железобетонные) плиты

–

1

0,9

Гравийно-галечниковое, каменное крепление или

крепление бетонными

(железобетонными)  блоками

Менее 0,002

1

0,9

0,005-0,01

0,95

0,85

0,02

0,9

0,8

0,05

0,8

0,7

0,1

0,75

0,6

Более 0,2

0,7

0,5




Примечание: характерный размер шероховатости r, м, следует принимать равным среднему диаметру зерен материала крепления откоса или среднему размеру бетонных (железобетонных) блоков

 

 

 

Таблица 3.3

Значения коэффициента ksp

Значение ctg j

1 – 2

3 – 5

Более 5

Коэффициент ksp при скорости ветра Vw, м/с:

      

20 и более

1,4

1,5

1,6

10

1,1

1,1

1,2

5 и менее

1

0,8

0,6


Примечание:j - угол наклона откоса к горизонту, град.

 

Высоту наката на откос волн обеспеченностью i, hrun i %, %, необходимо определять умножением значения hrun1%, м, полученного по формуле (3.3), на коэффициент ki принимаемый по табл. 3.4 в зависимости от угла наклона откоса j к горизонту:

hrun i % =hrun1% ∙ki.  (3.4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3.4

Значения коэффициента ki

Обеспеченность  по накату i, %

0,1

1

2

5

10

30

50

Коэффициент ki

1,1

1

0,96

0,91

0,86

0,76

0,68


 

При подходе фронта волны к сооружению под углом αi, град, со стороны открытой акватории величину наката волн на откос следует уменьшать умножением на коэффициент ka, принимаемый по табл. 3.5.

 

hrun i % (при a≠0) =hrun i % ∙ka                                                                    (3.5)

 

 Таблица 3.5

Значения коэффициента ka

Значение угла a, град

0

10

20

30

40

50

60

Коэффициент ka

1

0,98

0,96

0,92

0,87

0,82

0,76


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3 Расчетные уровни воды

 

Расчетный уровень воды – уровень, назначаемый с учетом сезонных и годовых колебаний, ветрового нагона воды, приливов и отливов. При определении нагрузок и воздействий, на гидротехнические сооружения обеспеченности расчетных уровней должны быть по наивысшим годовым уровням в безледный период не более: для сооружений I класса –1% (1 раз в 100 лет); II и III классов – 5 % ( 1 раз в 20 лет); IV класса –10% (1 раз в 10 лет).

2.4 Расчетные характеристики ветра

 

Высоту ветрового нагона Dhset, м, следует принимать по данным натурных наблюдений, а при их отсутствии (без учета конфигурации береговой линии и при постоянной глубине дна d) допускается определять по формуле

 

,    (3.6)

 

где  aw – угол между продольной осью водоема и направлением ветра, град;

vw – расчетная скорость ветра;

L – разгон, м;

d – глубина воды в верхнем бьефе, м.; 

kw – коэффициент, принимаемый по табл. 3.6.

 

Таблица 3.6

Значения коэффициента kw

Vw, м/с

20

30

40

60

kw ×10-6

2,1

3

3,9

4,8


 

Расчетную скорость ветра vw (м/с) следует определять по формуле:

 

vw = kfl  kl  vl,     (3.7)

где vl – скорость ветра на высоте 10 м над поверхностью земли (водоема), соответствующая 10-минутному интервалу осреднения и обеспеченности, принимаемой для сооружений I, II классов – 2 % обеспеченности (1 раз в 60 лет) и III, IV классов – 4 % (1 раз в 25 лет.);

kfl – коэффициент пересчета данных по скоростям ветра, измеренным по флюгеру, принимаемый по формуле (3.8), но не более 1;

 

;   (3.8)

 

kl – коэффициент приведения скорости ветра к условиям водной поверхности для водоемов (в том числе проектируемых) с характерной протяженностью до 20 км, принимаемый: равным единице при измерении скорости ветра vl над водной поверхностью, над ровной песчаной (пляжи, дюны и прочее) или над покрытой  снегом  местностью; по табл. 3.7 – при измерении скорости ветра над местностью типа А, В или С, устанавливаемого в соответствии с ветровыми нагрузками:

А – открытые побережья морей, озер и водохранилищ, пустыни, степи, лесостепи, тундра;

В – городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м;

С – городские районы с застройкой зданиями высотой более 25 м.

Разгон волн, L, м – протяженность охваченной ветром акватории, измеренная по направлению ветра до расчетной точки. При предварительном определении элементов волн среднее значение разгона для заданной расчетной скорости ветра vw допускается определять по формуле:

,  (3.9)

 

где kvis – коэффициент, принимаемый равным 5×1011;

– коэффициент кинематической вязкости воздуха, принимаемый равным 10-5 м2/с.

Таблица 3.7

Значения коэффициента kl

Скорость ветра vl, м/с

Значения коэффициента kl  при типе местности

 А

В

С

10

1,1

1,3

1,47

15

1,1

1,28

1,44

20

1,09

1,26

1,42

25

1,09

1,25

1,39

30

1,09

1,24

1,38

35

1,09

1,22

1,36

40

1,08

1,21

1,34


Значения предельного разгона, Lu, допускается принимать по табл. 3.8 для заданной расчетной скорости ветра vw.

 

Таблица 3.8

Значения предельного разгона Lu

Скорость ветра vw, м/с

20

25

30

40

50

Значения предельного  разгона Lu ×10-3,м

1600

1200

600

200

100


 

 

2.5 Расчет элементов волн

 

Волны бывают нерегулярные, регулярные, поступательные, стоячие. Нерегулярные волны – волны, элементы которых изменяются случайным образом. Регулярные волны – волны, высота и период которых остаются неизменными в данной точке пространства. Поступательные (бегущие) волны – волны, видимая форма которых перемещается в пространстве. Стоячие волны – волны, видимая форма которых в пространстве не перемещается.

Профиль волны (главный) – линия пересечения взволнованной поверхности с вертикальной плоскостью в направлении луча волны показан на рис. 3.4. Ниже приведен ряд определений элементов волны.

Высота волны – превышение вершины волны над соседней подошвой на волновом профиле.

Длина волны – горизонтальное расстояние между вершинами двух смежных гребней на волновом профиле.

Период волны – интервал времени между прохождением двух смежных вершин волн через фиксированную вертикаль.

Гребень волны – часть волны, расположенная выше средней волновой линии.

 

Рис. 3.4. Профиль  и элементы волны

 

Средняя волновая линия – линия, пересекающая запись волновых колебаний так, что суммарные площади выше и ниже этой линии одинаковы. Для регулярной волны – горизонтальная линия, проведенная на уровне полусуммы отметок ее вершины и подошвы.

Вершина волны – наивысшая точка гребня волны.

Ложбина волны – часть волны, расположенная ниже средней волновой линии.

Подошва волны – наинизшая точка ложбины волны.

Фронт волны – линия на плане взволнованной поверхности, проходящая по вершинам гребня данной волны.

Луч волны – линия, перпендикулярная фронту волны в данной точке.

Скорость волны – скорость перемещения гребня волны в направлении ее распространения.

Основными элементами волн являются: высота (h, м), период (Т, с), длина (l, м) и скорость распространения (v, м/с). Различают следующие основные характеристики волнения: геометрические – с размерностью длины (средняя высота и высоты hi заданной обеспеченности F%, средняя длина и длины li заданной обеспеченности F%); частотные – с размерностью времени (средний период и периоды заданной обеспеченности Тi); частота ( ); кинематические – с размерностью длины и времени (средняя скорость распространения.

Средние параметры волн определяются в следующем порядке. Предварительно определяются безразмерные параметры ξ и τ по формулам:

 

 

    (3.10) ,

 

                         (3.11),

где t – продолжительность действия ветра, предварительно допускается принимать равной 6 ч=21 600 с.

По значениям ξ  и τ по кривой c рис. 3.5 получим по два значения                ξ = / и τ = , и по меньшим из полученных величин принимаем среднюю высоту и средний период волн по следующим формулам.

Рис. 3.6. Величина безразмерной средней высоты волны

 

По меньшему значению ηmin вычисляем высоту волны h:

 

     (3.12)

 

По меньшему значению εmin вычисляем средний период волн Т:

 

     (3.13)

Проект волнозащитной плотины