Проектирование гидротехнических сооружений


Введение

Целью настоящего курсового проекта по дисциплине «Энергетические сооружения» является ознакомление студентов с основными  положениями современной методики проектирования гидротехнических сооружений.

Лист  данных к курсовому проекту состоит  из двух частей:

–  основные требования к гидроузлу;

–  геологические особенности выбранного створа.

Проектируемый гидроузел имеет энергетическое назначение. В его состав входят бетонная водосливная плотина, грунтовая  плотина, гидроэлектростанция.

Приступая к компоновке гидроузла, необходимо определить общее конструктивное решение  и габариты сооружений.

В выбранном  створе сооружения располагают в  зависимости от геологических условий  и несущей способности пород. При этом стремятся разместить бетонные сооружения на более прочном основании, так как это позволяет проектировать  более обжатый профиль сооружений. Размещение бетонных сооружений необходимо увязывать с наиболее удобной  и экономичной схемой производства работ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Гидравлический расчет водосливной плотины

 

     Гидравлический расчет выполняется с целью определения:

 

  1. ширины водосливного фронта;
  2. отметки гребня водосливной плотины;
  3. формы водослива;
  4. сопряжения потока в НБ;
  5. размеров гасителей энергии потока.

 

Гидравлический  расчет выполняется для основного  расчетного случая      (при НПУ и УНБmin) и поверочного расчетного случая (при ФПУ и УНБmах).

 

1.1 Основной расчетный случай

 

Определим расчетный  расход через водосливную плотину  по следующему выражению:

 

Qрасч = Qmax – QГЭС = 3650 – 600 = 3050 (м3/с),  (1-1)

 

где Qmax – максимальный основной расход;

      QГЭС – расход через ГЭС.

 

Удельный расход на водосливе будет  равен:

 

qвод = 1,25 qрисб ,    (1-2)

 

где qрисб – удельный расход на рисберме, который равен

 

qрисб = νр hНБ ,    (1-3)

 

где hНБ – глубина в НБ при максимальном основном расходе Qmax=3650 м3/с     УНБmin = 62,2 м (определяется по графику Q = f(H)), тогда

 

hНБ = УНБmin - ÑДНО = 62,2 – 53 = 9,2 (м);

 

νр – допустимая по размыву скорость на рисберме νр= 3,5м/с. Грунт – гравийно-песчнаный ([1] стр.239).

 

qрисб = 3,5∙9,2 = 32,2 (м2/с). 

Тогда

qвод = 1,25∙32,2 = 40,25 (м2/с).

 

 

 

Ширина водосливного фронта равна:

 

В = Qрасч/qвод = 3050/40,25 = 75,77 (м).  

 

(1-4) Определим количество водосливных отверстий. Зададимся стандартной длиной пролета отверстия b = 10 м ([2] стр.18), тогда водосливных отверстий:

n = B/b =75,77/10 =7,57.

 

          Округлим до ближайшего целого – n = 8. Бык примем разрезным (т.к. основание легко деформируемое) и его ширина d = (0,2-0,25) ∙ b = 0,25∙10 = 2,5 м ([2] стр.18). С учетом разрезки быка, увеличиваем его ширину на полтора метра, тогда принимаем окончательно ширину  быка 4 м.  Головная часть быка имеет округлую форму для улучшенного обтекания потоком.

 

 Тогда ширина водосливного фронта:

 

В = b ∙ n = 10 ∙ 8 = 80 (м).

 

Используя формулу  расхода через водослив, определим  полный напор на водосливе:

 

,    (1-5)

 

где m - коэффициент расхода водослива. В курсовой работе принимаем профиль

      оголовка безвакуумной водосливной стенки Кригера – Офицерова типа А  

      (m=0,49),(рис. 1.1).

 

                  


 

рис.1.1 Безвакуумные стенки нормального очертания Кригера-Офицерова

 

(м).                                                                                                                                                               

 

 

 

 

 

Уточним  напор на водосливе:

 

,    (1-6)

 

где sсж - коэффициент бокового сжатия;

       sn – коэффициент подтопления, подтопления водослива нет и sn = 1.

 

,  (1-7)

 

где eб = 0,45 - коэффициент уменьшения, учитывающий форму быков в плане    ([2] рис. 6б).

 

,

 

(м).

 

Определим геометрический напор на водосливе:

 

,             (1-8)

 

где a0 = 1,1 – коэффициент Кориолиса;

      - скорость в живом сечение перед плотиной, где w - площадь живого

      сечения:w = (В + Sбыч) × (ÑНПУ – ÑДНО) = (80+(8 - 1) ×4)(78 – 53) = 2700 (м2),

 

где Sбыч – ширина всех бычков, Sбыч = (n - 1)×d.

 

(м2/с);

 

(м).

 

Округлим полученное значение до ближайшего стандартного: = 7 м,

(СНиП 2.06.01-86).

Определим отметку гребня водослива: ÑГВ = ÑНПУ – Нстан = 78 – 7 = 71 (м).

1.2 Поверочный случай

 

Определим поверочный расход через  водосливную плотину:

 

Qповер = Qmax.повер – QГЭС = 4700 – 600 = 4100 (м3/с),

 

где Qmax.повер – максимальный поверочный расход.

 

Полный напор равен (в первом приближении):

 

(м).

 

Уточним его по формуле:

 

,               (1-9)

 

где mповер – коэффициент расхода для поверочного случая, определяется по    формуле А.С. Офицерова:

 

;               (1-10)

 

     sф – коэффициент формы, равен 1 (табл.11-3[3]);

     sн – коэффициент полноты напора, равен 1,04 (H01повер/Hст=8,23/6=1,37 и   

     ), ([3],табл.11.4);

 

,

 

;

 

(м).

 

Определим геометрический напор на водосливе:

 

w = (В + Sбыч) ∙ (ÑФПУ – ÑДНО) = (80 + (8 -1) ∙4) ∙ (79,5 – 53) = 2862(м2);

 

(м2/с);

 

(м).

 

Проверим не превышается ли заданная отметка ÑФПУ = 79,5 м при таком напоре:

 

ÑФПУрасч = ÑГВ + Н = 71 + 8,04 = 79,04 м £ ÑФПУ = 79,5.

 

 

1.3 Построение практического  профиля водослива

 

Используя таблицу 4 ([1] стр.19) составим таблицу координат для оголовка водослива типа А. Для получения действительных координат кривой поверхности водослива необходимо отношения (х/Hпроф) и (y/Hпроф) умножить на . Расчеты сведем в таблицу 1.1

 

Таблица 1.1 

Приведённые координаты очертания  гребня водосливной стенки (Кригера-Офицерова)

№ точки

х

y

№ точки

х

y

1

0

0,882

15

9,8

3,948

2

0,7

0,252

16

10,5

4,634

3

1,4

0,056

17

11,2

5,348

4

2,1

0

18

11,9

6,118

5

2,8

0,042

19

12,6

6,916

6

3,5

0,196

20

13,3

7,756

7

4,2

0,42

21

14

8,652

8

4,9

0,7

22

14,7

9,59

9

5,6

1,022

23

15,4

10,556

10

6,3

1,386

24

16,1

11,578

11

7

1,792

25

16,8

12,74

12

7,7

2,254

26

17,5

13,72

13

8,4

2,758

27

18,2

14,854


 

 

        

      Значения сопрягающего  радиуса R выбираем в зависимости от напора  на водосливе Н =7 м и высоты водосливной плотины ([2] табл.5):

Сн= ÑГВ - ÑДНО = 71 - 53 = 18 (м) => R =11,68м

 

 

 

Профиль приведем на рисунке ниже:

 

 

 

 

1.4 Определение типа сопряжения бьефов

 

Схема к расчету сопряжения бьефов представлена на рисунке 1.2:


 

 

 

 

 

     Рис. 1.2 Схема к расчету сопряжения бьефов

         От сопряжения бьефов зависит наличие гасителей энергии потока в нижнем бьефе. Возможны три случая сопряжения бьефов:

  1. прыжок у сжатого сечения – h”c= hНБ;
  2. затопленный прыжок - h”c< hНБ;
  3. отогнанный прыжок - h”c> hНБ;

где hНБ – глубина в нижнем бьефе,

      h”c – сопряженная глубина с глубиной в сжатом сечении.

 

Найдем  полную удельную энергию в сечении В-В (рис.1.2):

 

E0 = E = Cн + H,

 

где CН – высота плотины со стороны нижнего бьефа, CН =ÑГВ – ÑДНО = 18 (м);

Н – геометрический напор на водосливе, м.

 

Е0 =  18 + 7 = 25 (м).

 

        Определим  коэффициент скорости для криволинейных  водосливов практического профиля (табл.6[2]):

 

 =>

 

 

Определим критическую глубину hк:

 

                             

,    (1-11)

 

где – расчетный расход;

      n – количество водосливных пролетов;

      b – ширина пролета;

     d – толщина бычка.

 

(м).

 

Относительная удельная энергия сечения  в верхнем бьефе:

 

;

.

 

Определим величины , 2,30 (рис. 12-5, [3]).

 

 

Определим сопряженные глубины:

 

(м),

 

(м).

 

  1. Глубина в НБ hНБ = 9,2 м, следовательно, прыжок отогнанный  h”c> hНБ.

 

Отогнанный прыжок за плотиной не допускается. Для затопления прыжка создадим в нижнем бьефе соответствующую  глубину с помощью водобойного  колодца.

 

Из-за того, что относительно большая потенциальная  энергия воды верхнего бьефа  непосредственно  за плотиной переходит в кинетическую энергию, что приводит к увеличению скорости воды в нижнем бьефе, возникает необходимость сооружать в нижнем бьефе мощное дорогостоящее крепление. Для уменьшения затрат, необходимо на возможно более короткой длине за плотиной преобразовать часть получившейся в нижнем бьефе избыточной кинетической энергии в потенциальную; погасить оставшуюся часть кинетической энергии, с помощью водобойного устройства. Это позволит получить сопряжение бьефов при помощи затопленного прыжка, который в свою очередь обеспечивает наибольшее гашение энергии потока.

В качестве водобойного устройства рассчитаем комбинированный водобойный колодец.

 

1.5 Гидравлический расчет водослива  практического профиля с водобойным колодцем

 

Комбинированный водобойный колодец  представляет собой водобойный колодец  с глубиной d.

Рис. 2. Водослив практического профиля  с водобойным колодцем

 

Задаемся глубиной водобойного  колодца d=3(м).

Определим высоту плотины со стороны НБ:   

CН =ÑГВ – ÑДНО -d= 71 – 53-3=21 м.

        Определим  коэффициент скорости для криволинейных  водосливов практического профиля  (табл.6 [2]):

 

Определим глубину в сжатом сечении  методом последовательных приближений:

 

 

   1-я итерация ():

  

 

   2-я итерация ():

 

 

   3-я итерация ():

 

 

Определим вторую сопряженную глубину:

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Определение размеров  элементов подземного контура  и устройств в нижнем бьефе

 

2.1 Определение отметки  подошвы плотины

 

Отметка подошвы плотины равна:

 

,   (2-1)

 

где а = 2 – запаса в метрах;

      bв – толщина водобойной плиты, определяется по формуле

      В.Д. Домбровского:

 

,    (2-2)

 

где  и hc – соответственно скорость и глубина в сжатом сечении;

 

,     (2-3)

 

где Вв – ширина водосливного фронта,

 

Скорость в сжатом сечение равна:

 

( м/с),

 

(м).

 

Определим отметку подошвы плотины:

 

Ñподошвы ВБ = 53 – (3,00+ 2) =48,00 (м),

Ñподошвы НБ = 53 – (3,00 + 2) - 3 =45,00 (м),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Определение ширины  подошвы плотины

 

Ширина подошвы  основания принимается исходя из удовлетворения условиям – устойчивости и прочности. Но можно определить оптимальную ширину на основе двух требований:

 

  1. Отсутствие растягивающих напряжений в бетоне.

 

  1. Устойчивость по основанию (на сдвиг).

 

Ширина подошвы плотины по первому  условию рассчитывается по формуле:

 

                                                              (2.4)

 

где γб ,γв – удельный вес бетона и воды соответственно, γб = 2,4 кН/м3,

       γв=1кН/м3;

       α1 – коэффициент снижения фильтрационного давления путем установки противофильтрационного устройства, равный 0,5;

       h – высота треугольника, в который вписываем плотину, равная

 

(м)

         

Ширина подошвы плотины по второму  условию:

 

                                                                                    (2.5)

 

где кс – коэффициент запаса устойчивости сдвигу, принимаемый для   состояния предельного равновесия 1,0;

      f – коэффициент сопротивления плотины сдвигу по основанию, примем равным 0,35.

           Задаваясь  значением n, вычисляем ширину подошвы по первому и второму условиям (2.4), (2.5):

 

При n = 0,2 получим:

 

По первому  условию:       (м),

 

По второму  условию:           (м).

 

 

Аналогичные вычисления производим для  других значений n.

Результаты расчетов сведем в таблицу 2.1:  

Таблица 2.1

I требование

II требование

n

b

n

b

0,2

26,66

0,2

40,80

0,3

28,01

0,3

39,22

0,4

29,54

0,4

37,51

0,5

31,61

0,5

35,95

0,6

34,53

0,6

34,51

0,7

38,90

0,7

33,18


 

По результатам расчетов строим зависимости b = f(n):


Рис.1 Графики зависимостей b1(n) и b2(n)

 

Таким образом, искомая ширина подошвы плотины должна отвечать одновременно двум условиям, то есть определяется пересечением двух графиков: b1(n) и b2(n) - b = 34,52 м, n=0,6.

 

Ширина по основанию b должна удовлетворять условию:

 

b = (1,5¸2,2)H ,    (2-6)

 

где Н = ÑНПУ – УНБmin – напор создаваемый плотиной;

 

H = 78 – 62,2 = 15,8 (м),

b = (1,5 ¸ 2,2) 15,8 = (23,7 ¸34,76 ) м.

 

Значение b=34,52 м попадает в интервал, допустимых значений => ширина плотины по основанию найдена правильно.

 

 

2.3 Определение размеров  элементов подземного контура и устройств нижнего бьефа.

 

Схема подземного контура плотины формируется в зависимости от требований, предъявляемых к подземному контуру, типа основания и геологического строения. К основным элементам подземного контура плотины на нескальном основании относятся: понур, фундаментная плита, шпунт; устройства нижнего бьефа: водобой, рисберма с концевым креплением.

 

Понур. Понур делается для снижения фильтрационного давления в основании плотины путем удлинения путей фильтрации.

Принимаем гибкий, глиняный понур. Толщину понура в сечение у плотины определяют из условия:

где H – напор на плотине; Jдоп – допускаемый градиент фильтрационного потока для материала понура, для глины примем 6 ([8] стр. 17).

 Толщину у плотины примем 2,6 м, а в верхнем конце 0,7 м.

Длину понура найдем по формуле:

(м).

           Поверх понура отсыпается обратный фильтр толщиной 20 см, на который укладываются бетонные плиты толщиной 0,5 м.

 

Фундаментная плита. Толщина фундаментной плиты равно 2,6 м (п. 2.2). В начале плиты устанавливаем шпунт и забиваем его в водоупор на 2 м для предотвращения контактной фильтрации.

 

Водобой. На протяжении длины прыжка устраиваем крепление русла в виде плиты водобоя длину. Плита водобоя разрезается швами по потоку. Дренажные воды отводят через специальные дренажные колодцы, расположенные на расстоянии:

1/4· Lводоб = 28,90/4 =7,22 м от начала водобойной плиты в три ряда. Толщина плит водобоя 3,20 м (п.2.1).

Для определения длины  можно воспользоваться формулой Павловского для прямоугольного сечения потока за водосливом:

 

,

 

Рисберма и ее концевое крепление. Часть энергии, которая не погасилась на водобое (около 30 - 40 %) гасится на рисберме. На рисберме  происходит уменьшение осредненных скоростей и пульсаций скоростей потока. Рисберму выполняют в виде крепления, постепенно облегчающегося по течению. Бетонные плиты рисбермы укладываются на обратном фильтре. Плиты располагаем в шахматном порядке. Размер плит в плане 10×10 м. Швы между плитами используем в качестве дренажных отверстий, что избавляет от необходимости устройства дренажных колодцев. 

 

 

Длина рисбермы равна:

    (2-7)

 

 

Толщина плит рисбермы определяется по формуле:

 

 

,    (2-8)

 

 

где кс – коэффициент запаса, принимается равным 1,25;

      hр – глубина на рисберме.

,           (2-9)

 

где х – расстояние от сжатого сечения до плиты;              

     υсж – скорость в сжатом сечении (п.2);

,

   

     hкр=4,47 м – критическая глубина (п.1.4)

        

Таким образом, толщина плит рисбермы равна:

 

 

Задаваясь значениями x, определим толщину плит рисбермы на всем ее протяжении.

 

 

За первое значение x примем длину водобоя:

 

1) х1 = 28,90 м

(м).

 

(м)

 

Расстояние до следующих плит от сжатого сечения определяется с  учетом размеров плит в плане (10×10 м).

 

2) х2 = 28,9 + 10 =38,9 (м);

(м).

 

(м)

 

3) x3 = 38,9 + 10 =48,9 (м);

(м).

 

(м)

 

4) x4 = 48,9 + 10 = 58,9 (м);

(м).

 

(м)

5) x5 = 58,9 + 10 = 68,9 (м);

(м).

 

(м)

6) x6 = 68,9 + 10 = 78,9 (м);

(м).

 

(м)

 

Концевое  крепление рисбермы устраиваем в  виде ковша, предназначенного для защиты рисбермы от подмыва, с заложением внутреннего откоса mВ = 1:4 и наружного откоса mн = 1:2. Толщину отсыпки гравийно-песочной в ковше принимаем 1,5 м.

 

Ширина ковша по дну равна:

 

5 · hкр = 5· 4,47 = 22,35 (м).

 

Максимальная глубина ковша:

,

 

где кр = 1,1 – коэффициент, зависящий от условий размыва (считаем, что поток

     спокойный);

      υн = 1,2 м/с – неразмывающая скорость для грунта дна(гравийно-песчаное);

      qрисб = 31,2 м2/с – удельный расход на рисберме (п.1.1).

 

(м)

 

Сопрягающие устройства. Сопряжение со зданием ГЭС устраиваем с помощью раздельного устоя, выступающего в сторону верхнего бьефа на длину понура (23,7 м) и в сторону нижнего бьефа на длину водобоя (47,8 м).

Сопряжение  водосливной плотины с земляной осуществляем с помощью устоев и  сопрягающих открылков. Они имеют  форму подпорной стенки. В устое  расположены пазы для затвора.

Быки выполняем  разрезными,  шириной 3 м. Головная часть быка имеет округлую форму для улучшенного обтекания потоком.

 

Шпунт. Шпунт устраивается для увеличения пути фильтрации и снижения противодавления на подошву плотины, что особо важно при сильно фильтрующем основании (гравийно-песчаное). Примем металлический шпунт, их преимуществом является малая водопроницаемость за счет устройства замков. Ширину шпунтин принимаем 50 см. Примем к расчету одношпунтовую схему. Шпунт доходит до водоупора, поэтому длина шпунта определится глубиной залегания водоупора и глубиной забивки в водоупора (2 м). Таким образом, длина шпунта получится равной примерно 7 м.

Шпунт располагаем в самом начале водонепроницаемой части флютбета, так как при этом его эффективность резко возрастает.  

 

2.4 Разрезка плотины швами

 

              Во избежание недопустимо больших напряжений в различных частях бетонной плотины на нескальном основании плотину делим на секции постоянными сквозными температурно-осадочными швами. Разрезку плотины сквозными поперечными швами производим по быкам, чтобы избежать неравномерных осадок смежных быков. Так как основание плотины гравийно-песчаное, то основные осадки ГТС проходят быстро (в период строительства), поэтому нет необходимости производить разрезку швами каждого быка (но швы необходимы для уменьшения температурных напряжений) и по этой причине разрезку выполним через 2 пролета. Так же в теле плотины устраиваем швы-надрезы (т.к. расстояние между швами слишком большое), доходящие до фундаментной плиты.  В пределах фундаментной части сооружения ширину шва назначаем 1 см в нижней части и 3 см - в верхней части; выше фундаментной плиты ширину шва увеличиваем до 10-15 см. Ширину швов-надрезов принимаем 1 см.

              Водопроницаемость швов осуществляем  устройством уплотнений. В нижней  части уплотнения выполняем в  виде оклейки битумными матами  поверхности той секции, которая  бетонируется в первую очередь,  в верхней – в виде асфальтовых  шпонок.

              В температурных швах устраиваем шпонки  размером 15×15 см, в швах шириной 10-15см - 80×150 см.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

          1. Расчет нагрузок и воздействий на сооружение

 

      1.   Определение силы волнового давления

 

      1. Основное сочетание нагрузок

 

              Рассчитаем основные характеристики  волны - среднюю высоту волны  , среднюю длину волны , средний период волны .

              Определим класс проектируемой  водосливной плотины по СНиП 33-01-2003 «Гидротехнические сооружения. Основные  положения» по табл. Б.1:

 бетонные  плотины с типом грунтов основания Б при высоте сооружения от 25 до 50 м (30,2м) имеют второй класс. Тогда для расчета принимается 2%-ая обеспеченность (при НПУ), 20% при ФПУ.

              Основные характеристики волн определяем в соответствии со СНиП 2.06.04-82* «Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)».

                Рассчитаем величины:

                                                         

 

где L – длина разгона волны, L= 14 км;

      υ2%=13м/с –расчетная скорость ветра при НПУ    

     t – продолжительность непрерывного действия ветра, t= 6 ч.

 

                                                     

 

     Определим величины ([4], рис. 2,9):

  1. при    

  1. при

     

  Из полученных выше значений выбираем меньшие:

 

                                          

 

       Из выражения (3.1)  находим среднюю высоту волны:

 

                                       

 

      Из выражения (3.2) определим средний период волны:

 

                                       

 

       Вычислим среднюю длину волны:

 

                                             

 

       Определим зону водоема из условия:  

  где d=ÑНПУ - Ñдна=78-53=25 м – глубина водохранилища.

 

                                       , следовательно,  имеем глубоководную зону.

 

            При расчете прочности и устойчивости  ГТС используют высоту волны  заданной обеспеченности и среднюю  длину волны. Расчетная обеспеченность  высоты волны для сооружений  с вертикальной напорной гранью  и для откосов с креплением  бетонными плитами составляет 1%.

Проектирование гидротехнических сооружений