Проектирование водохранилищного гидроузла
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРЕЛЬНО ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт природообустройства
Кафедра гидравлики, сельскохозяйственного водоснабжения и водоотведения
Курсовой проект
«ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВОДОХРАНИЛИЩНОГО ГИДРОУЗЛА»
Вариант 18
Выполнил:
Филатов А.А.
Проверил:
Шишкин А.В.
Барнаул 2012
Содержание
Задание 3
1. Конструирование поперечного профиля земляной плотины 4
2. Выбор типа крепления верхового откоса и его расчет 7
3. Фильтрационный расчет грунтовой плотины 9
3.1. Фильтрационный расчет через тело плотины 9
3.2 Оценка суффозиозной устойчивости низового откоса плотины 10
3.3. Фильтрационный расчет через основание плотины 11
4. Предварительная проверка устойчивости плотины 13
5. Расчет величины осадки основания земляной плотины 15
6. Расчет устойчивости низового откоса графоаналитическим способом 19
7. Выбор трассы и построение продольного профиля по оси водосбросного сооружения 28
8. Выбор типа сопрягающего сооружения. 30
9. Гидравлический расчет подводящего канала 31
9.1. Расчет отводящего канала 33
10. Гидравлический расчет быстротока 34
11. Проектирование и расчет донного водоспуска 37
Задание
к курсовому проекту
по теме: «Проектирование
Исходные данные:
1. Грунт тела плотины и основания: супесь плотная
2. Глубина воды в ВБ Н1= 7,9м
3. Глубина воды в НБ Н2= 1,2 м
4. Мощность водопроницаемого слоя Т= 6,2 м
5. Коэффициент фильтрации Кф=0,2 м/сут
6. Угол между осью водоема и направлением ветра =60
7. Длина разгона волны L= 5 км
8. Максимальная скорость ветра W= 17,8 м/с
9. По гребню проходит
автомобильная дорога ___ категории
(ширина гребня плотины
10. Коэффициент заложения верхового откоса m1=2,5
11. Коэффициент заложения низового откоса m2=1,75
12. Расход сбросного сооружения Qс= 16 м3/с
13. Расход водоспуска Qв= 2,5м3/с
14. Глубина воды в
начале подводящего канала h1=1
15. Глубина воды в
конце подводящего канала h2=1,
16. Тип дренажа – банкет
Конструирование поперечного профиля земляной плотины
Основной задачей
При конструировании поперечного профиля необходимо установить высоту плотины, ширину гребня и др.
Высота плотины определяется по формуле:
,
где Н1 – глубина воды в верхнем бьефе, м;
d0 – превышение гребня над уровнем воды верхнего бьефа, м.
Превышение d0 можно определить по формуле:
,
где hн – высота наката волны (рис. 2.4), м;
∆h – высота ветрового нагона волны, м;
а – запас высоты плотины, принимается не менее 0,5 м.
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;
hв – высота волны, которую можно определить по формуле В. Г. Андреянова:
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:
,
где W10 – скорость ветра на высоте 10 м над уровнем водоема, м/с;
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:
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
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
m1, 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
, м,
где η=1,2 – 1,5 – коэффициент запаса;
Р=0,178hв – давление, возникающее при сбегании воды, т/м2;
hв – высота волны, м;
γкл=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
, =
где γк – удельный вес камня, т/м3;
Q – расчетный вес отдельных камней:
, т
где А=7,2 при <15 ;12,1/1,3=9,3
А=8,2 при >15
3) Толщина бетонного
покрытия определяется по
, м,
где γб=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 10 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
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
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 qТ 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:
=0,21+0,15=0,36м3/сут
3.1. Фильтрационный расчет через тело плотины
При фильтрационном расчете используем метод эквивалентного профиля.
Однородная плотина с
Уравнение для
определения фильтрационного
,
где
где – коэффициент заложения внутреннего откоса дренажного банкета;
– высота дренажа, м.
Величиной захода депрессионной кривой в дренаж пренебрегают:
Кривую депрессии строят по уравнению Дюпюи, задаваясь от до , затем исправляют визуально.
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 | |
x |
3,3 |
4,3 |
8,32 |
12,34 |
16,36 |
20,38 |
24,4 |
28,45 |
y |
7,9 |
7,3 |
6,7 |
6,0 |
5,3 |
4,4 |
3,3 |
1,6 |
3.2 Оценка суффозиозной устойчивости низового откоса плотины
Суффозия механическая – это перемещение мелких частиц грунта через крупные поры под воздействием фильтрационного потока.
Проверка устойчивости грунта на механическую суффозию заключается в сравнении скорости фильтрационного потока на выходе с допускаемой скоростью для грунта тела плотины .
Суффозия отсутствует, если:
Скорость фильтрационного потока при выходе на низовой откос:
, м/с
где – коэффициент фильтрации грунта тела плотины;
– уклон кривой депрессии (градиент напора) при выходе на низовой откос:
, м
где – падение депрессионной кривой на интервале , равном разности
абсцисс
двух последних расчетных
Допускаемая скорость выхода фильтрационного потока:
= 0,082, м/с
Если , то необходимо предусмотреть дренаж.
3.3. Фильтрационный расчет через основание плотины
Фильтрационный расход
через основание плотины
, м3/сут
где К0 – коэффициент фильтрации основания плотины, м/сут.
Т – глубина водопроницаемого основания, м.
Впл – 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 выполняется условие:
Суффозионную устойчивость основания определяем по формуле:
=0.2*0.12=0.024
где - скорость фильтрационного потока при выходе в нижний бьеф, м/с;
- уклон кривой депрессии
при выходе из основания,
=0.082
Условие выполняется, следовательно 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 | |
|
при естественной влажности |
при насыщении | |||||
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:
гдеС – удельное сцепление грунта, т/м2;
γ – удельный вес грунта, т/м3;
η – принятый коэффициент запаса на устойчивость;
НП – 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
36°>30°
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
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:
, м
гдеТ – толщина сжимаемого слоя, м;
ε1 – коэффициент пористости грунта основания до возведения плотины;
ε2 – коэффициент пористости грунта основания после возведения плотины.
– определяется по компрессионной кривой (рис. 5.1).
Напряжение в середине сжимаемого слоя грунта основания до возведения плотины:
, МПа,
где - объемный вес грунта основания.
МПа,
Зная Р1 по компрессионной кривой находят ε1 (кривая 1 рис. 5.1) ε1= 0,7
Рис. 5.1. Компрессионные кривые
Для определения ε2 необходимо знать Р2.
Напряжение в середине сжимаемого массива после возведения плотины (Р2 ) определяется методом проф. Н.А. Цытовича. Чтобы найти Р2 вычисляют напряжения в точке В и точке С (рис. 5.2).
Напряжение в точке В:
, МПа,
где γП – объемный вес грунта тела плотины.
, =9,7*1,65=16=0,16 МПа
Рис. 5.2. Расчет величины осадки основания земляной плотины
Для определения напряжения в точке С пользуются табличными значениями вертикальных напряжений σz, выраженных в долях от интенсивности нагрузки, распределенной по треугольнику (табл. 5.1) и от интенсивности равномерно распределенной нагрузки (табл. 5.2).
Для пользования таблицами находим отношения: и
где – вершина основания фигуры представляющей часть нагрузки от насыпи плотины;
– для левого треугольника;
=1,75*9,7=17– для правого треугольника;
=7,2– для средней части;
y – расстояние от подошвы до оси плотины.
=0
Напряжение в точке С находится отдельно от левого, правого треугольников и средней части.
1)По отношениям и интерполяцией находим (табл. 5.1).
Напряжение от левого треугольника:
2)По отношениям и по табл. 5.2 находим .
Таблица 5.1
Величины напряжений σz в долях от интенсивности нагрузки, изменяющиеся по треугольнику
|
|
- 1,50 |
- 1,00 |
- 0,50 |
0,00 |
0,25 |
0,50 |
0,75 |
1,00 |
1,50 |
2,00 |
2,50 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,25 |
0,50 |
0,75 |
1,00 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,25 |
– |
– |
0,004 |
0,075 |
0,256 |
0,48 |
0,643 |
0,424 |
0,015 |
0,003 |
– |
0,50 |
0,002 |
0,003 |
0,023 |
0,127 |
0,263 |
0,41 |
0,477 |
0,353 |
0,056 |
0,017 |
0,003 |
0,75 |
0,006 |
0,016 |
0,042 |
0,153 |
0,248 |
0,335 |
0,361 |
0,293 |
0,108 |
0,024 |
0,009 |
1,00 |
0,014 |
0,025 |
0,025 |
0,061 |
0,159 |
0,223 |
0,275 |
0,241 |
0,129 |
0,045 |
0,013 |
1,50 |
0,020 |
0,048 |
0,096 |
0,145 |
0,178 |
0,200 |
0,202 |
0,185 |
0,124 |
0,082 |
0,041 |
2,00 |
0,033 |
0,061 |
0,092 |
0,127 |
0,146 |
0,155 |
0,163 |
0,153 |
0,108 |
0,069 |
0,050 |
3,00 |
0,050 |
0,064 |
0,080 |
0,096 |
0,103 |
0,104 |
0,108 |
0,104 |
0,090 |
0,071 |
0,050 |
4,00 |
0,051 |
0,060 |
0,067 |
0,075 |
0,078 |
0,085 |
0,082 |
0,075 |
0,073 |
0,060 |
0,049 |
3)Напряжение от средней части:
По отношениям и по табл. 5.1 находим
Напряжение от правого треугольника:
Суммарное напряжение:
Напряжение в грунте основания под гребнем плотины:
Общее напряжение:
МПа
На компрессионной кривой напряжению Р2 соответствует коэффициент пористости ε2=0,64
Величины напряжений выраженные в долях от интенсивности
равномерно-распределенной нагрузки
Таблица 5.2
y/b z/b |
0,00 |
0,25 |
0,50 |
1,00 |
1,50 |
2,00 |
0,00 |
1,00 |
1,00 |
0,50 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,25 |
0,96 |
0,90 |
0,50 |
0,02 |
0,00 |
0,00 |
0,50 |
0,82 |
0,74 |
0,48 |
0,08 |
0,02 |
0,00 |
0,75 |
0,67 |
0,61 |
0,45 |
0,15 |
0,04 |
0,02 |
1,00 |
0,55 |
0,51 |
0,41 |
0,19 |
0,07 |
0,03 |
1,25 |
0,46 |
0,44 |
0,37 |
0,20 |
0,10 |
0,04 |
1,50 |
0,40 |
0,38 |
0,33 |
0,21 |
0,11 |
0,06 |
1,75 |
0,35 |
0,34 |
0,30 |
0,21 |
0,11 |
0,07 |
2,00 |
0,31 |
0,31 |
0,28 |
0,20 |
0,13 |
0,08 |
3,00 |
0,21 |
0,21 |
0,20 |
0,17 |
0,135 |
0,10 |
4,00 |
0,16 |
0,16 |
0,15 |
0,14 |
0,12 |
0,10 |
5,00 |
0,13 |
0,13 |
0,12 |
0,12 |
0,11 |
0,09 |
6,00 |
0,11 |
0,10 |
0,10 |
0,10 |
0,10 |
– |
Расчет устойчивости низового откоса графоаналитическим способом
Откосы грунтовой плотины
На грунтовой массив низового клина плотины действует ряд сил. Основная сдвигающая сила - составляющая собственного веса грунта. Кроме того, уменьшают устойчивость сила взвешивания и динамическое воздействие фильтрационного потока, а также дополнительные силы, например снеговая нагрузка, силы инерции при землетрясении и др.
Обрушение (оползание) откосов происходит
по некоторой криволинейной
Существует несколько методов расчета устойчивости откосов. В гидромелиоративной практике широко используют метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения грунтового массива с разбивкой его на отсеки (рекомендуемый СНиП 2.06.05-84).
Расчет заключается в
Расчет выполняется в условиях плоской задачи, когда рассматривается отрезок плотины длиной, равной единице. Грунт плотины выше кривой депрессии имеет естественную влажность, а ниже ее находится в насыщенном водой состоянии).
При расчете проводятся несколько кривых скольжения из разных центров и соответственно вычисляют коэффициенты устойчивости.
Расчеты устойчивости носят вероятностный характер, т.к. заранее неизвестно положение наиболее опасной поверхности обрушения. Задача расчетов – поиск этой поверхности и определение наименьшего коэффициента устойчивости kу.
Порядок расчета:
1. Вычерчиваем поперечный
Принять М 1:100 На миллиметровой бумаге А3 – располагать вдоль листа по 420 мм (снизу основания плотины оставить 3 см под кривую скольжения)
2. Из середины откоса (точка Б)
проводим две линии:
3. По таблице 6.1 находим радиусы и , которыми очерчиваем часть кольцевой площадки MZM´Z´.
Например:
Нп=9,7м
m2=1,75
БМ=0,75*9,7=7,3 м
БZ=1,75*9,7=17,0 м
Таблица 6.1
Коэффициент |
Заложение откосов | |||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 | |
0,75 |
0,75 |
1,00 |
1,50 |
2,20 |
3,00 | |
1,50 |
1,75 |
2,30 |
3,75 |
4,80 |
5,50 | |
4. В площадке MZM´Z´ располагают центр скольжения О и из него радиусом R проводят кривую (через низовой откос и основание произвольно захватывая гребень и нижний бьеф).
