Проектирование гидроузла в составе грунтовой плотины

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Ценнейшим природным ресурсом являются водные ресурсы. Они составляют основу социального и экономического развития любой страны, региона, города, поселка. Без водных ресурсов не может существовать и развиваться ни одно предприятие, ни один населенный пункт.

Для благополучия населения требуется бесперебойное снабжение водой в любое время года. Строительство водохранилища позволяет регулировать сток. Без водохранилищ невозможно было бы обеспечить гарантированное водоснабжение, они помогают удовлетворять потребности человека в воде. 

Поэтому целью данной курсовой работы является проектирование гидроузла в составе грунтовой плотины, водосбросного сооружения и водовыпуска.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

  1. выбрать створ плотины;
  2. выбрать тип водосброса, водовыпуска, водозабора;
  3. запроектировать поперечный профиль плотины;
  4. разработать схему пропуска строительных расходов;
  5. разработать мероприятия по охране природы.

 

 

 

 

 

 

 

 

1 КОМПАНОВКА ГИДРОУЗЛА

Компоновка гидроузла включает выбор створа грунтовой плотины, трассы водосбросного сооружения и других сооружений, входящих в состав гидроузла.

На топографическом плане (студенту выдается планшет к заданию) в районе строительства гидроузла намечается несколько створов. По каждому створу производится эскизная компоновка гидроузла в целом и его отдельных элементов.

Компоновка гидроузла должна всесторонне учитывать природные и производственно-строительные условия района. Особое внимание необходимо уделить геологическому строению, подтоплению и заболачиванию территории, условиям судоходства, рыбоводства. Необходимо предусмотреть сохранение природных условий. После технико-экономического сопоставления вариантов утверждается проектный створ. При компоновке в принятом створе сооружений необходимо учитывать:

а) топографические условия;

б) геологическое строение основания и берегов - в качестве основания желательно иметь скалу: особенно желательно на скальном основании располагать бетонные сооружения, входящие в гидроузел;

в) гидравлические условия - в верхнем бьефе желательно иметь плавный подход воды (в плане) к водосбросным сооружениям, чтобы не возникали большие боковые сжатия потока, поступающего в отверстие, и большие водоворотные области; в нижнем бьефе должны обеспечиваться аналогичные условия - плавный отвод воды от водопропускных сооружений.

г) условия производства работ - от принятого метода пропуска строительного расхода через створ гидроузла существенно может зависеть расположение сооружений в створе;

 д) удобство эксплуатации  гидроузла.

 Обращаясь непосредственно  к компоновке сооружений, необходимо  приблизительно установить их  габаритные размеры, чтобы потом  на основе этих размеров можно  было бы составить несколько  вариантов компоновки.

При выполнении курсового проекта вопрос компоновки решается параллельно с выбором створа и типов отдельных сооружений. При этом можно придерживаться следующих правил:

1. Створ гидроузла назначать  в наиболее узкой части долины перпендикулярно к горизонталям поймы, чтобы получить минимальный объем работ.

2. Водосбросное сооружение  располагать на более прочном берегу.

3. Водовыпуск, судоходный  шлюз, рыбопропускные сооружения располагать на противоположном берегу, чтобы избежать неудобств при эксплуатации.

4. Компоновку необходимо  увязать со схемой пропуска строительных расходов.

5. Добиваться наиболее  простой и удобной для воспроизведения  и эксплуатации схемы размещения  сооружений при минимальных объемах  работ.

Составленную схему сооружений гидроузла необходимо согласовать с преподавателем. После ее утверждения можно приступать к конструированию и расчету отдельных сооружений.

 

 

 

 

 

 

 

2 ПЛОТИНА

2.1 Конструирование  поперечного профиля плотины

Согласно данных геологических изысканий плотина возводится из глинистого грунта (глины пылеватые), характеристика которых представлена в задании.

Конструирование поперечного профиля плотины заключается в назначении ширины плотины по гребню и коэффициентом заложения откосов. Согласно [1] назначаем ширину плотины по гребню 6 м.

Проектируем плотину с дренажем при наличии воды в нижнем бьефе. Глубину воды в НБ определяем по графику связи Q=f(H). График представлен на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – График связи Q=f(H)

По графику связи при расходе Qmax=19,5 м3/с определяем глубину воды в НБ. Получаем h0=2 м.

Определяем предварительную высоту плотины по формуле (2.1):

Нпл=ФПУ-ДНО+1, м,                                        (2.1)

Нпл=110,5-100+1=11,5 м.

На основании полученных данных по таблице 4 [1] принимаем заложение верхового откоса  m1=2,5 м, а низового откоса m2=2 м.

На основании полученных данных строим поперечный профиль грунтовой плотины, который представлен на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Поперечный профиль грунтовой плотины

2.2 Определение отметки гребня плотины

Возвышение гребня плотины над расчетным уровнем воды ВБ определяется по формуле (2.2):

  d0=Δh+hн+а,                                                           (2.2)

где hн – высота наката ветровой волны, м;

      Δh – высота ветрового нагона, м;

      а – запас  по высоте плотины, м. Согласно  [1] принимаем а=0,5 м.

Схема к определению отметки гребня плотины представлена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Схема к определению отметки гребня плотины

Высота наката волны на откос определяется по формуле (2.3):

hн=*hв*,                                                   (2.3)

где Км – коэффициент, зависящий от типа крепления откоса. Т.к. предусматривается крепление железобетонными плитами, то согласно [1] Км=1;

       m1 – коэффициент заложения верхового откоса;

        hв – высота волны, м;

        λ – длина волны, м.

Высота ветрового нагона определяется по формуле (2.4):

Δh=К*, м,                                                (2.4)  

где К – коэффициент, согласно [1] К=6*10-3;

      10 – расчетная скорость ветра, измеренная на высоте 10 м над уровнем воды. Для перевода скорости ветра, измеренную на высоте 2 м над уровнем воды, которая представлена в задании, следует умножить на 1,25.

      10=1,25*,                                                      (2.5)

где  L – длина разгона ветровой волны, км. Т.к. нет сведений по длине разгона, принимаем L, равную длине водохранилища при соответствующем уровне;

       Н – глубина водоема, м. Определяется по формуле (2.6):

Н=, м,                                                        (2.6)

где РУ – расчетный уровень;

      - угол между осью водохранилища и направлением ветра. Принимаем наиболее опасный случай когда =0, т.е. cos=1.

Высота волны определяется по формуле (2.7):

hв=0,0208**L1/3, м,                                         (2.7)

Длина волны определяется по формуле (2.8):

λ=0,304**L1/2, м,                                                 (2.8)

где - скорость ветра, м/с;

      L – длина разгона волны, км.

Расчет проводится для двух расчетных уровней ФПУ и НПУ. Принимается результат с наибольшей отметкой гребня плотины. Все расчеты представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Определение отметки гребня плотины

Параметры

ФПУ

НПУ

Ед.изм.

1.Высота волны, hв

0,45

0,59

м

2.Длина волны, λ

5,63

6,7

м

3.Глубина водоема, Н

5,25

4,75

м

4.Расчетная скорость ветра, 10

8,75

11,25

м/с

5.Высота ветрового нагона, Δh

0,0208

0,0326

м

6.Высота наката волны  на откос, hн

0,84

1,061

м

7.Возвышение гребня плотины  над расчетным уровнем, d0

1,36

1,59

м

8.Отметка гребня плотины,

111,86

111,09

м


 

Окончательно принимаем наибольшее значение отметки гребня плотины. Принимаем отметку гребня плотины 112 м.

2.3 Фильтрационный расчет плотины

Фильтрационный расчет плотины заключается в построении кривой депрессии и в определении фильтрационного расхода через плотину.

В нашем случае производим фильтрационный расчет однородной грунтовой плотины с дренажем при наличии воды в НБ. Расчетная схема для построения кривой депрессии представлена на рисунке 2.4.

Исходные данные для расчетной схемы представлены в таблице 2.2

Таблица 2.2 – Исходные данные для расчетной схемы

Показатель

Величина

Коэффициент фильтрации грунта тела плотины

Кт=1*10-5 м/сут

Высота плотины

Нпл=12 м

Ширина гребня дренажной призмы

в=2 м

Высота гребня дренажной призмы

hд=4 м

Ширина гребня грунтовой плотины

В=6 м

Возвышение гребня плотины над отметкой ФПУ

d0=1,5 м

Глубина воды в НБ

h0=2 м

Превышение гребня дренажной призмы над уровнем воды НБ

Q0=2 м

Коэффициенты заложения откосов

m1=2,5

m2=2

m3=1

m4=1,5


 

Определяем параметр S по формуле (2.9):

S=B+(Hпл-hg)*m2-0*m3, м,                                  (2.9)

S=6+(12-4)*2-2*1=20 м.

Определяем h по формуле (2.10) методом подбора:

h=, м,                  (2.10)

где S – параметр, м;

      m1 – коэффициент заложения верхового откоса плотины;

      Нпл – высота плотины, м;

      d0 – возвышение гребня плотины над отметкой ФПУ, м;

      h0 – глубина воды в нижнем бьефе, м.

1) h=7:

h==7,28 м.

2) h=7,2:

h==7,23 м.

Принимаем h=7,2 и получаем под корнем 7,2. Таким образом, h=7,2 м.

Определяется удельный фильтрационный расход через плотину по формуле (2.11):

qt=, м3/сут,                                            (2.11)

где h0 - глубина воды в нижнем бьефе, м;

      S – параметр, м;

      Кt – коэффициент фильтрации грунта тела плотины, м/сут.

 

qt==1,196* м3/сут.

Определяются ординаты кривой депрессии по формуле (2.12):

y2=h2-,                                                         (2.12)

где - удельный фильтрационный расход через плотину, м3/сут;

      Кt – коэффициент фильтрации грунта тела плотины, м/сут.

Расчет ординат кривой депрессии представлен в таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Расчет ординат кривой депрессии

Номер точки

Х, м

  

y2

У, м

1

0

2,392

51,84

7,2

2

4

2,392

42,272

6,5

3

8

2,392

32,704

5,7

4

12

2,392

23,136

4,85

5

16

2,392

13,568

3,7

6

20

2,392

4

2


 

2.4 Расчет устойчивости низового откоса

Расчет устойчивости низового откоса производим по методу круглоцилиндрической поверхности графоаналитическим способом. На профиль наносим кривую депрессионной поверхности фильтрационного потока в теле плотины на рисунке 2.5.

Коэффициент запаса на устойчивость определяется по формуле (2.13):

Кз=,                                                              (2.13)

где - сумма моментов удерживающих сил;

      - сумма сдвигающих сил.

Для определения удерживающих сил на тело плотины проводим кривые скольжения. Рекомендуется центр кривых скольжения расположить в секторе ДЖЖ’Д’. Для построения этого сектора из середины откоса т.Б проводим вертикальную прямую и линию под углом 85◦ к откосу, затем вычисляем радиусы БД и БЖ и проводим дуги ЖЖ’ и ДД’.

По рекомендациям:

БД=К1*Нпл,                                                         (2.14)

БЖ= К2*Нпл,                                                         (2.15)

где К1=0,9; К2=2.

БД=0,9*12=10,8.

БЖ=2*12=24.

В секторе БЖЖ’Б’ выбираем центр скольжения, из которого вычерчиваем кривую скольжения с таким расчетом, чтобы она проходила между осью плотины и бровкой низового откоса.

Для выявления всех сил, действующих на откос плотины, массив делим на вертикальные полосы, ширина которых определяется по формуле (2.16):

в=0,1R, м,                                                           (2.16)

где R – радиус кривой скольжения. Принимается R=20 м.

в=0,1*20=2 м,

Разбивку полос начинаем с нулевой, которая располагается по обе стороны от вертикали, опущенной из т.О до пересечения с кривой скольжения. Расчет действующих сил представлен в таблице 2.3.

Таблица 2.3 – Расчет действующих сил

№

sin

cos

Hес

Hнас

Hпр

sin*hпр

cos*hпр

tg

cos*hпр*tg

C

  

C

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

9

0,9

0,44

2,2

0

2,2

1,98

0,97

0,3

0,29

3,1

8,02

24,8

8

0,8

0,6

4,6

0

4,6

3,68

2,76

0,3

0,83

2,1

26,5

55,6

7

0,7

0,71

5

1,2

5,7

3,99

4,05

0,26

1,05

7

0,7

0,71

6

0,6

0,8

4,4

2,4

5,81

3,49

4,65

0,26

1,21

6

0,6

0,8

5

0,5

0,87

4

3

5,76

2,88

5,01

0,26

1,3

      

4

0,4

0,92

3,6

3,8

5,83

2,33

5,36

0,26

1,39

      

3

0,3

0,95

3,4

3,6

5,51

1,65

5,23

0,26

1,36

      

2

0,2

0,98

3

3,4

5

1

4,9

0,26

1,27

      

1

0,1

0,99

2

3,8

4,23

0,42

4,19

0,26

1,09

      

0

0

1

1

4

3,35

0

3,35

0,26

0,87

      

-1

-0,1

0,99

0

3,8

2,23

-0,22

2,21

0,26

0,57

      

-2

-0,2

0,98

0

2,6

1,35

-0,27

1,32

0,26

0,34

      

-3

-0,3

0,95

0

1,2

0,7

-0,21

0,67

0,26

0,17

      
                         

*

    

33,2

32,8

52,27

20,72

44,67

  

11,74

    

80,5


 

 

hпр=hес+*hнас,                                                               (2.17)

где jнас – объемная масса насыщенного водного грунта. Определяется по формуле (2.18):

jнас=(1-n)*(jгр-j),                                          (2.18)

где n – коэффициент пористости грунта, равный n=0,74;

      jгр – удельный вес грунта, равный jгр=2,92 т/м3;

      j=1;

      hес – объемная масса грунта при естественной влажности. Определяется по формуле (2.19):

jест=(1-n)*jгр*n,                                             (2.19)

Для сухого грунта имеем tgφ=0,3; 1=21; С=3,1;

Для мокрого грунта имеем  tgφ=0,25; 2=78; С=2,1.

Длина дуги кривой скольжения определяется по формуле (2.20):

L=,м,                                                         (2.20)

где R – радиус кривой скольжения, м.

L1==8,02 м.

L2==26,52 м.

Определяем градиент фильтрационного потока по формуле (2.21):

=,                                                             (2.21)

==0,29.

Плечо силы фильтрационного потока 18,2.

Площадь фильтрационного потока в зоне скольжения массива определяется по формуле (2.22):

=*hнас*в, м2,                                                       (2.22)

где – сумма высот насыщенного грунта, м;

      b – ширина полосы, м.

=32,8*2=65,6 м2.

Коэффициент запаса на устойчивость определяется по формуле (2.23):

Кз=,                             (2.23)

где b – ширина полосы, м;

        – объемная масса грунта при естественной влажности, т/м3;

     hпр - приведенная высота, м;

     С – сцепление грунта, т/м2;

      l – длина дуги кривой скольжения, м;

     - площадь фильтрационного потока в зоне скольжения массива, м2;

      J - градиент фильтрационного потока;

      r – плечо силы фильтрационного потока, м;

      R – радиус кривой скольжения, м.

Кз==1,31.

Так как значение коэффициента запаса больше нормативного Кз=1,311,05, следовательно, устойчивость низового откоса обеспечена.

2.5 Крепление верхового откоса плотины

Для защиты верхового откоса грунтовой плотины от разрушающего воздействия волн применяют различные виды крепления. В нашем курсовом проекте производим крепление грунтовой плотины железобетонными плитами, которые укладываются на обратный фильтр. Предназначены для предотвращения фильтрационных деформаций грунта тела плотины.

Схема крепления верхового откоса представлена на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 – Крепление верхового откоса: 1 – упор, предназначенный для предотвращения сползания плит; 2 – железобетонные плиты; 3 – обратный фильтр

Толщину железобетонной плиты определяем по формуле (2.24).

, м,                              (2.24)

где γ – удельный вес воды, т/м3;

      – удельный вес бетона, т/м3;

      hв – высота волны при отметке НПУ, м;

      λ – длина  волны при отметке НПУ, м;

    b – размер плиты в направлении падения откоса, м.

= 0,06 м.  

С учетом обеспечения достаточной толщины защитного слоя принимаем толщину плиты 8 см.

 

 

 

3 ВОДОСБРОСНЫЕ СООРУЖЕНИЯ

Для пропуска излишних паводковых вод устраивают водосбросные сооружения, которые подразделяются на открытые и закрытые.

В качестве открытого водосброса рассмотрим открытый береговой водосброс автоматического действия. В его состав входят:

  1. подводящий канал с расположением дна на отметке НПУ;
  2. сопрягающие сооружения, выполняемые по типу быстротока;
  3. отводящий канал.

В качестве закрытого водосбросного сооружения рассмотрим трубчато-ковшовый водосброс. В его состав входят:

  1. водоприемный оголовок (ковш);
  2. водопроводящие трубы;
  3. отводящий канал.

3.1 Конструирование и гидравлический  расчет открытого водосброса

3.1.1 Конструирование поперечного профиля подводящего канала

Подводящий канал выполняется без крепления откосов. Профиль канала имеет трапецеидальную форму.

Заложение откосов канала зависит от вида грунта, слагающего ложе канала. Согласно [1], для глинистого грунта принимаем коэффициент заложения откосов канала m1=1.

Поскольку канал выполняется без крепления откосов, средняя скорость воды в канале не должна быть более не размывающей скорости. Согласно [1], для глинистого грунта Vнер=1,5 м/с.

Схема поперечного профиля подводящего канала представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Схема поперечного профиля подводящего канала

Глубина канала определяется по формуле (3.1):

 

h=                                        (3.1)

где ∇ФПУ – отметка форсированного подпорного уровня, м;

       ∇НПУ – отметка нормального подпорного уровня, м.

h=110,5-109,5=1 м.

Ширина канала по дну определяется по формуле (3.2):

b, м,                                               (3.2)

где – площадь живого сечения канала, м2;

      m1 – коэффициент заложения откоса канала;

     h – глубина канала, м.

b=12,7 м.

Площадь живого сечения определяется по формуле (3.3):

, м2,                                                     (3.3)

где Q – максимальный расход пятипроцентной обеспеченности, м3/с;

      Vнер – не размывающая скорость, м/с.

=13,7 м2.

Принимаем ширину канала по дну b=12,7 м.

3.1.2 Гидравлический расчет быстротока

В качестве сопрягающего сооружения проектируем быстроток.  Быстроток – это канал с уклоном больше критического.

Быстроток состоит из трех основных частей:

1) вход в быстроток, который служит для сопряжения подводящего канала с лотком водоската;

2) лоток водоската, который  проектируется прямоугольным;

3) выход из быстротока, предназначенный для гашения  избыточной энергии.

Расчетная схема быстротока приведена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Расчетная схема быстротока: 1 – вход в быстроток; 2 –лоток; 3 – выход из быстротока; h0 – нормальная глубина при которой жидкость движется с равномерной скоростью; h2 – глубина воды в конце лотка водоската

Глубина воды на входе в быстроток определяется по формуле (3.4):

    Н=                                         (3.4)

где ∇ФПУ – отметка форсированного подпорного уровня, м;

       ∇НПУ – отметка нормального подпорного уровня, м.

Н=110,5-109,5=1 м.

Определяем уклон быстротока по формуле (3.5):

 ,                                                      (3.5)

где ∆h – разность отметок НПУ и дна, м;

       l – длина лотка водоската, определяемая по генплану, м.

=0,116.

Разность отметок НПУ и дна определяется по формуле (3.6):

∆h =                                        (3.6)

где ∇НПУ – отметка нормального подпорного уровня, м;

       ∇дно – отметка дна, м.

∆h =109,5-100=9,5 м.

Полученное значение уклона удовлетворяет условию 0,1.

Входная часть в быстроток с гидравлической точки зрения представляет собой водослив с широким порогом.

Ширину входа в быстроток определяем по формуле (3.7):

, м,                                        (3.7)

где Q – расчетный сбросной расход пятипроцентной обеспеченности, м3/с;

      m – коэффициент расхода водослива с широким порогом, m=0,33;

      Н0 – полный напор с учетом скорости подхода, м. Определяется по формуле (3.8):

, м,                                        (3.8)

где Н – глубина воды на входе в быстроток, м;

 – коэффициент неравномерности  распределения скоростей, ;

V – скорость в подводящем канале, равная не размывающей 1,5 м/с.

= 1,13 м.

= 11,7 м.

Принимаем ширину входа в быстроток равной ширине канала по дну. В=в=12,7 м.

Ширину лотка водоската также принимаем 12,7 м.

Для определения глубины воды в конце лотка водоската h2 необходимо предварительно определить нормальную глубину h0.

Для определения h0 используем формулу Шези (3.9):

, м3/с,                            (3.9)

где – площадь живого сечения, м2;

      С – коэффициент Шези;

      R – гидравлический радиус, м;

Площадь живого сечения определяется по формуле (3.10):

     , м2,                                           (3.10)

где b – ширина по дну, м;

      h – глубина, м.

Смоченный периметр определяется по формуле (3.11):

     , м,                                    (3.11)

где В – ширина входа в быстроток, м;

      h – глубина, м.

Гидравлический радиус определяется по формуле (3.12):

            , м,                                                   (3.12)

где – площадь живого сечения, м2;

      – смоченный периметр, м.

Коэффициент Шези определяется по формуле (3.13):

           С=,                                               (3.13)

где n – коэффициент шероховатости, для бетонной поверхности составляет 0,012;

      R – гидравлический радиус, м.

Расходная характеристика определяется по формуле (3.14):

К=, м3/с,                                            (3.14)

где – площадь живого сечения, м2;

      С – коэффициент Шези;

      R – гидравлический радиус, м.

Действующая расходная характеристика определяется по формуле (3.15):

        К0=, м3/с,                                                   (3.15)

где Q – расход воды, м3/с;

       i – гидравлический уклон.

К0==60,19 м3/с.

Нормальную глубину определяем методом подбора добиваясь равенства К=К0. Расчет сводим в таблицу 3.1.

 

Таблица 3.1 –Определение нормальной глубины

h,м

, м2

*,  м

R,м

   

С, м0,5/с

К, м3/с

0,2

2,54

13,1

0,19

0,44

0,34

63,18

70,615

0,15

1,905

16,5

0,115

0,34

0,34

58,11

37,638

0,185

2,35

13,07

0,18

0,42

0,34

62,2

61,8

0,18

2,286

13,06

0,175

0,42

0,34

62,32

59,84

0,1801

2,29

13,06

0,175

0,42

0,34

62,32

59,94

0,1808

2,296

13,062

0,176

0,42

0,34

62,38

60,15

Проектирование гидроузла в составе грунтовой плотины