Расчет водохранилищного гидроузла

Реферат

Расчет водохранилищного гидроузла в составе плотины  из местных материалов, водосброса, водоспуска и водозабора: пояснительная  записка к курсовому проекту  по дисциплине «Гидротехнические сооружения»: 70.04.03/ БрГУ;.; гр.; кафедра сельскохозяйственных гидротехнических мелиораций. – Брест, 2011. – 31 с.:7 ил., 7 табл., 5 источн.

Ключевые слова: гидроузел, плотина, водосброс, водоспуск, водозабор, канал, нормальный подпорный уровень (НПУ), уровень мертвого объема (УМО), форсированный подпорный уровень (ФПУ), гребень плотины, откос, труба.

Содержит результаты расчета  и проектирования водохранилищного гидроузла.

Содержание

Введение

Строительство гидротехнических сооружений развивалось в разных странах в соответствии с общим  развитием в них водного хозяйства. Искусство строить гидротехнические сооружения известно древнейших времён, причём довольно крупные сооружения создавались уже при рабовладельческом  строе.

Начало гидротехнических работ на территории Беларуси относится  к первой половине XVI в., когда в Кобринском старостве был прорыт осушительный канал. Он берёт начало у д. Павлополь и впадает в р. Мухавец чуть ниже г. Кобрин. Его длина 20 км, площадь водосбора 52 км².

Во второй половине XVIII в. были построены два крупных канала: Огинский и Днепровско-Бугского. Они оказали значительное влияние на водный режим прилегающих территорий, хотя и предназначались для сплава леса и навигации. Огинский канал, который через Припять, Ясельду и Щару соединил Нёман с Днепром, был построен в 1765-1784 гг. Его длина составила 54 км.

На данный момент гидроэнергетический  потенциал республики освоен лишь на 3 %. Если на Днепре и в бассейне Припяти возможности строительства гидроэлектростанций ограничены из-за необходимости затопления огромных площадей, то на притоках Днепра, а также в бассейнах Западной Двины и Немана есть условия для создания достаточно экономичных и экологически безопасных гидроэлектростанций.

В последние годы в Республике Беларусь для решения  энергетической и продовольственной программ восстанавливаются, реконструируются и проектируются малые ГЭС и рыбоводные хозяйства. Так, уже действуют Добромыслянская и Полоцкая гидроэлектростанции в Витебской области, Яновская и Ольховская в Гродненской, Вилейская – в Минской, Тетеринская – в Могилёвской области и др.

В перспективе  гидротехническое строительство в  Беларуси может развиваться в  форме строительства гидроузлов комплексного использования – создание водохранилищ для регулирования  стока при одновременном использовании  их в энергетике, для водообеспечения, рекреации, водного транспорта, мелиорации и охраны вод.

В данной курсовой работе будут  представлены расчёты для водохранилищного гидроузла в составе плотины  из местных материалов, водосброса, водоспуска и водозабора.

Данная работа выполняется в  постоянной связи с теоретической  частью данного курса.

1.0 Общая характеристика природно-климатических условий района строительства

Река Проня – правый приток р. Сож (бассейн р. Днепр). Начинается возле д. Ланенка Дубровенского  района Витебской области, устье  на востоке  окраине г. Славгород  Могилевской области. Течет преимущественно  с  севера на юг по Оршанско-Могилевской  равнине. Основные притоки: Галыша, Бася, Раста (справа), Парасица, Быстрая, Вербавка, Кашанка (слева). В геологическом  отношении район проектирования представлен грунтами, физико-механические характеристики представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 Физико-механические характеристики грунтов по створу водохранилищного гидроузла.

 Долина слабоизвилистая,  хорошо разработанная, глубоковрезанная, в верховье невыразительная, ширина от 0,4-0,6 км в верхнем течении до 1-2 км в нижнем. Склоны крутые, иногда обрывистые, высотой от 3 до 20 м, значительно изрезаны оврагами, особенно около городов Горки и Славгород. Пойма ровная, двухсторонняя, луговая. Ширина реки 15-20 м, в нижнем течении местами до 50 м. Берега преимущественно крутые, обрывистые, в верхнем течении низкие и заболоченные, открытые, высотой 1-1,5 м, на отдельных участках до 7 км. Питание смешанной, преимущественно снеговое. Среднегодовой расход воды в устье 26,8 м³ / с. Ледостав с середины декабря до конца марта. Весенний ледоход 3-5 суток. Весеннее половодье длится около 50 дней. Наибольший уровень половодья обычно в начале апреля. Летне-осенняя межень (около 5 месяцев) почти каждый год 2-4 раза за сезон нарушается дождевыми паводками продолжительностью 5-20 суток и высотой 0,5-1,5 м. Река Проня используется как водоприёмник мелиорационной системы.

Среднемесячная  температура воздуха в январе колеблется от -1,2 °С до -18 °С, в июле от 14,6 °С до 22 °С . Среднемесячная температура поверхности почвы до -6 °С в зимние месяцы и до 20 °С в июле. Максимально годовое количество осадков (931 мм) было отмечено в 1933, минимальное (398 мм) – в 1900. Максимальное, суточное количество осадков (97 мм) наблюдалось в августе 1915. Средняя максимальная, высота снежного покрова за зиму 27 см, в отдельные годы до 52 см. Влажных дней (с относительной влажностью >80%) в год 144, сухих (с влажностью за один из сроков наблюдения <30%) — 8.

Средняя глубина промерзания почвы в конце февраля — начале марта 
66 – 68 см, максимальная 145 см.

2.0 Выбор створа гидроузла и компоновка его сооружений

На местоположение створа гидроузла оказывают влияние  следующие основные факторы:

• топографические, определяющие длину плотины и ее высоту. Створ плотины располагаем в наиболее узкой и глубокой части долины, нормально горизонталям, чтобы обеспечить наименьший объем земляных работ;
• инженерно-геологические, оцениваемые прочностными характеристиками грунтов, их напластованием и водопроницаемостью. В выбранном створе располагаются грунты, физико-механические свойства которых приведены в таблице 8;
• гидрологические, связанные с решением вопроса о наполнении водохранилища и расходах, сбрасываемых в период половодья или паводка в нижний бьеф. Гидрологический режим исходной реки-створа изучен достаточно (см. главу 1), что позволяет делать прогнозные оценки изменения расходов реки во все гидрологические периоды;
• расположение водосброса, которое существенно сказывается на стоимости гидроузла и оказывает влияние на его эксплуатацию. Поэтому выбираем створ плотины с одновременной трассировкой на местности водосбросного тракта.

Также на выбор  местоположения створа гидроузла оказывали  свое влияние и другие факторы, такие  как способ пропуска строительных расходов (водоспуск), наличие и возможность  устройства дорожной сети, наличие  местных строительных материалов, линий  электропередач и т.д.

Компоновка гидроузла  заключается в выборе и обосновании  местоположения водопропускных сооружений: водосброса, водоспуска и водозабора.

Так как по условию  задания проектируется шахтный водосброс, то в нашем случае целесообразно принимать русловую схему компоновки, при которой водосбросное сооружение располагаем в русле реки, и совмещаем с водоспуском, а пойменные участки створа перекрываем грунтовой плотиной.

Подводящий канал  водозабора располагаем на уровне отметки  УМО для обеспечения постоянного  притока воды.

К основным отметкам водохранилищного гидроузла относятся: нормальный подпорный уровень (, уровень мертвого объема ( и форсированный подпорный уровень . Их определяем из условий:

             (2.1)

где – глубина сработки водохранилища, м; ( – превышение форсированного уровня над нормальным подпорным уровнем, м; – отметка берега, ; – отметка дна реки в створе гидроузла; - глубина воды в верхнем (ВБ) и нижнем (НБ) бьефах в створе гидроузла, ; – превышение отметки берега над уровнем воды в реке,

3.0 Проектирование плотины из местных материалов

Основное и существенное преимущество грунтовых плотин состоит  в том, что для их возведения используются местные строительный материал –  грунт. Для получения этого материала  требуются только затраты на вскрышные  работы в карьере, но они в общей  стоимости сооружения не значительны. Грунтовую плотину возводим в  виде насыпи, имеющей поперечное сечение  в виде трапеции из грунта третьего слоя – супесь.

При проектировании грунтовой  плотины соблюдены следующие  основные требования:

• заложение откосов плотины обеспечивает устойчивость сооружения и его основания при всех возможных условиях строительства и эксплуатации;
• откосы и гребень плотины имеют покрытия, защищающие их от волновых, ледовых и атмосферных воздействий;
• дренажные устройства обеспечивают сбор и организованный отвод фильтрующейся воды и предотвращают фильтрационные деформации в теле грунтовой плотины и в основании;
• строительные и эксплуатационные деформации плотины, ее отдельных элементов и основания не вызывают нарушения нормальной работы гидроузла.

3.1 Определение отметки гребня плотны и его конструкции

Ширину гребня плотны принимаем равной 8,0 м, так  как в районе проектирования проходит автомобильная дорога V категории дорог общего пользования. Это позволит не только улучшить производство работ, обеспечить беспрепятственную эксплуатацию гидроузла, но и даст возможность движения по гребню плотины транспорта. Для дороги V категории проектируем переходной тип дорожного покрытия, состоящий из слоя песчано-щебеночной смеси, укрепленной портландцементом в количестве 3%, мощностью 10 см.

Дороге, проходящей по гребню плотны, придаем двухсторонний  поперечный уклон, проезжей части 20‰, обочинам - 40‰ и по краям дороги устанавливаем низкие оградительные  стенки на расстоянии 0,5 м от бровки гребня плотины.

Превышение отметки  гребня плотины над уровнем воды  в водохранилище определяется по формуле:

                                   (3.2)

где Δh_set – ветровой нагон в верхнем бьефе;

       h_run1% – высота наката ветровых волн обеспеченностью 1%;

       a – конструктивный запас по высоте плотины (принимаем равным 0,5м-0,6м).

Возвышение гребня плотны над уровнями воды в водохранилище  определяем для двух расчетных случаев:

1. когда уровень воды в водохранилище находится на отметке НПУ, тогда определяется превышение

б) когда уровень  воды в водохранилище находится  на отметке ФПУ, тогда определяется превышение

Уровень воды на отметке  НПУ

Высота ветрового  нагона волны водохранилища определим  по формуле

,                                (3.3)

где k_W – эмпирический коэффициент, зависящий от скорости ветра, принимаем равный 2,110^-6;

V_W – расчетная скорость ветра на высоте 10 м над уровнем воды на отметке НПУ, V_W=14 м/с;

L – длина водохранилища по направлению господствующего ветра, L=3000 м;

β – угол между осью водохранилища и господствующим направлением ветра, β=55^о;

H – глубина воды в ВБ при заполнении водохранилища до отметки НПУ, H=8,0м.

Сокращая полученное квадратное уравнение и решая  его относительно Δh_set, получим один положительный корень, т.е. Δh_set=0,009 м.

Для определения коэффициента K_run и высоты волны h_1% определим значение безразмерных коэффициентов * и τ по формулам:

где t – продолжительность действия ветра, равна 6 ч. или 21600 с.

По огибающей  кривой графика (рисунок 4) находим значения коэффициентов ε и η :

ε₁=1,81    η₁=0,023

ε₁=4,48    η₁=0,095

К расчету принимаем  минимальные значения, т.е. ε₁=1,81 и η₁=0,023, тогда определяем:

• период волны

• среднюю длину волны

• высоту волны

Так как H ≥ 0,5∙λ_гл т.е. 8,0 > 0,5∙10,4, имеем глубоководную зону, и высота волны h_1% (1% обеспеченность принята потому, что материал крепления верхового откоса – железобетонные плиты) и средняя длина волны определяется из условия

где K_i – коэффициент, определяемый по графику (рисунок 6) в зависимости от значения и расчетной 1% обеспеченности высоты волны. Зная по рисунку 3 находим K_run = 1,42 . Коэффициент K_sp для заложения верхового откоса m₁ = 3 и расчетной скорости ветра 14 м/с по таблице 5 находим K_sp=1,26 . Значения коэффициентов K_p, K_r зависят от типа крепления верхового откоса (при креплении железобетонными плитами) по таблице 4 соответственно находим – K_p=0,9 и K_r=1,0. Подставляя все полученные значения, определим высоту наката волны 1% обеспеченности

Превышение отметки  гребня плотины над уровнем воды в водохранилище при НПУ определится

Тогда отметка  гребня плотины определяется

Уровень воды на отметке  ФПУ

Высоту ветрового  нагона волны водохранилища определим  по формуле:

где V_W – расчетная скорость ветра на высоте 10 м над уровнем воды на отметке ФПУ, V_W=10 м/с;

H – глубина воды в ВБ при заполнении водохранилища до отметки ФПУ,         H = ФПУ – Дна.= 156,9-148,0 = 8,9м.

Решая полученное квадратное уравнение относительно Δh_set , получим один положительный корень, т.е Δh_set=0,0041 м.

Определяем значения безразмерных коэффициентов

По значения безразмерных коэффициентов по огибающей кривой графика (см. рисунок 4) определяем значения промежуточных коэффициентов:

ε₁=2,18    η₁=0,029

ε₁=4,60    η₁=0,105.

К расчету принимаем  минимальные значения, т.е. ε₁=2,18 и η₁=0,029, тогда определяем:

• период волны

• среднюю длину  волны

• высоту волны

Так как H ≥ 0,5∙λ_гл т.е. 8,9 > 0,5∙7,7, имеем глубоководную зону, и высота волны h_1% (1% обеспеченность принята потому, что материал крепления верхового откоса – железобетонные плиты) и средняя длина волны определяется из условия

Зная по рисунку 3 находим K_run = 1,44 . Коэффициент K_sp для заложения верхового откоса m₁ = 3 и расчетной скорости ветра 10 м/с, находим по таблице 5, K_sp=1,1 . Значения коэффициентов K_p, K_r принимаются аналогичные, соответственно – K_p=0,9 и K_r=1,0. Подставляя все полученные значения, определим высоту наката волны 1% обеспеченности

Превышение отметки  гребня плотины над уровнем воды в водохранилище при ФПУ определится

Тогда отметка  гребня плотины определяется

Окончательно  принимаем максимальную отметку  гребня плотины из двух полученных значений

3.2 Проектирование поперечного профиля плотины

Грунтовой плотиной называют водоподпорное сооружение, возводимое из однородных или неоднородных по механическому составу грунтов.

Плотины из грунтов находят самое широкое применение в практике гидротехнического строительства. Они являются основным сооружением в водохранилищных гидроузлах, а также входят в состав речных гидроузлов любого назначения, когда создается разность уровней бьефов.

В качестве материалов для возведения плотины в работе используют любые из связных и несвязных грунта естественного происхождения, чаще всего суглинки и супеси, а также мелкие и средней крупности пески, обладающие допустимой по водохозяйственным расчетам фильтрационной способностью и достаточной прочностью, за исключением:

• содержащих водорастворимые включения хлоридных солей – более 5% по массе, сульфатных или сульфатно-хлорных – более 10% по массе;
• содержащих не полностью разложившиеся органические вещества (например, остатки растений) – более 5% по массе или не полностью разложившиеся органические вещества, находящиеся в аморфном состоянии, – более 8% по массе.

Так как на месте строительства  в достаточном количестве имеется  супесь, которая вполне пригодна для насыпки тела плотины, и глина, которая пригодна для устройства ядра в теле плотины, то данным проектом предусматривается грунтовая плотина из супеси. Так как грунт тела плотины является хорошо водопроницаемым грунтом, коэффициент фильтрации супеси меньше единицы, то для уменьшения фильтрационного расхода через плотину и основание, снижение депрессионной кривой с целью повышения устойчивости низового откоса и уменьшения уклона фильтрационного потока с целью предотвращения фильтрационных деформаций грунта в теле предусматриваем – ядро из грунта первого слоя глины, шириной по верху 1,0м и по низу – 4,0м. Расстояние от гребня плотины до верхней границы ядра принимаем ниже глубины промерзания, но выше отметки ФПУ, т.е. 1,2м.

Очертание откосов грунтовых плотин необходимо назначать исходя из условий их статической устойчивости. Однако такие расчеты можно выполнить только после того, как задан профиль плотины и на основании фильтрационных расчетов построена кривая депрессии.

Это обстоятельство заставляет предварительно задаваться заложением откосов, а затем расчетом подтверждать их статическую устойчивость. Принимаем коэффициент заложения верхового откоса m₁ = 3,0, а низового      m₂ = 2,5, по таблице 2 .

            Т. к. в курсовом проекте высота плотины до 10 м, то её откосы проектируем с постоянным коэффициентом заложения по длине откоса.

Крепление откосов земляных плотин устраивают для защиты их от размыва течением воды или ее волнового действия, разрушения льдом, размыва дождевыми и талыми водами, стекающими по откосам плотины, и других разрушающих откосы факторов.

Крепление верхового откоса плотины делят на основное, расположенное  в зоне максимальных волновых и ледовых воздействий, возникающих в эксплуатационный период, и облегченное – ниже или выше основного крепления.

Верхнюю границу основного  крепления (ВГК) чаще всего назначают  на отметке гребня плотины. В случае значительного возвышения гребня плотины над расчетным уровнен воды, основное крепление заканчивают ниже гребня плотины на отметке высоты наката волны h_1% и далее до гребня доводят крепление в облегченном виде.

Нижнюю границу основного  крепления (НГК) назначают ниже минимального уровня сработки водохранилища на глубине, равной двойной высоте волны.

Вид крепления устанавливают  исходя из технико-экономической оценки вариантов с учетом максимального  использования средств механизации  и местных материалов, характера грунта тела плотины и основания, агрессивности воды, долговечности крепления в условиях эксплуатации.

Для крепления верхового  откоса наиболее часто применяют  сборные и монолитные железобетонные покрытия, каменную наброску и несколько  реже - асфальтобетонное и биологическое  крепление.

В данном курсовом проекте  принимаем крепление верхового  и низового откосов – железобетонными  плитами.

Грунтовые плотины высотой 6...8м, как правило, оборудуются дренажами. Они служат для понижения кривой депрессии, предотвращения выхода фильтрационного  потока на низовой откос приема и  отвода профильтровавшейся воды через  тело плотины в нижний бьеф. Исходя из выполняемых задач, дренаж должен иметь две основные части: приемную – в виде обратного фильтра из одного или нескольких слоев, который обеспечивает поступление фильтрационного потока и предупреждает фильтрационные деформации; отводящую – в виде водосборных и водоотводящих элементов. Слои обратного фильтра обычно имеют толщину 0,25...0,3м.

При наличии на месте строительства  камня, дренаж делают в виде призмы из каменной наброски, которая кроме основного своего назначения служит упором низового откоса плотины. В курсовом проекте принимаем дренаж по типу каменной призмы.

Коэффициент заложения внутреннего откоса призмы принимаем           m₃ = 1,75 , а наружного – m₄ = 1,5. Ширину призмы поверху назначаем 2 м.

3.3 Фильтрационный расчет

Под влиянием напора, создаваемого плотиной, из верхнего бьефа  в нижний происходит фильтрация через  тело плотины и ее основание. Основными  задачами фильтрационных расчетов, является определение удельного и общего расхода фильтрации, положения кривой депрессии и оценка фильтрационной прочности грунтов основания  и тела плотины.

При фильтрационных расчетах принимаем следующие допущения: фильтрацию рассматриваем в одной  плоскости, грунт тела плотины считаем  однородно-анизотропным, водоупор считается  теоретически водонепроницаемым, положение  кривой депрессии не зависит от качества грунта, а определяется только геометрическими  размерами тела плотины.

Запроектированный поперечный профиль грунтовой плотины приводим к расчетной схеме (рисунок 1), в которой исключаем отдельные мелкие детали (допустим, наличие и вид противофильтрационного устройства, отметку гребня плотины, конструкцию крепления верхового откоса и т.п.). В верхнем бьефе за расчетный принимаем , а в нижнее бьефе – бытовой уровень воды на отметке , при котором будет наблюдаться установившейся расход фильтрационного потока в теле плотины.

  Рисунок 1. Поперечный профиль запроектированной грунтовой плотины.

Расчет выполняем  в следующей последовательности:

1. Находим положение раздельного сечения по формуле Г.К. Михайлова:

2. Аналитическим расчетом, по расчетной схеме к  фильтрационному расчету (рисунок 1), определяем длину проекции кривой депрессии на горизонтальную ось:

3. Так как в теле плотины имеется противофильтрационное  устройство – ядро, то приводим плотину  к однородной (метод виртуальных  длин). Для этого определим размеры  эквивалентного слоя:

где δ_в, δ_н – толщина противофильтрационного устройства в верхней и нижней частях;

k_я, k_m – коэффициенты фильтрации ядра и тела плотины.

Тогда виртуальная  длина проекции кривой депрессии  на основание:

4. Величину удельного  фильтрационного расхода q_m находят из уравнения:

Тогда q_m = 0,384 ∙ k_m = 0,384 ∙ 0,05 = 0,019 м³/сут.

5. Положение кривой депрессии определяют по уравнению:

Для построения кривой депрессии находим координаты точек, расчет сводим в табл. 3.1.

Таблица 3.1 Расчет координат депрессии кривой

По полученным координатам строим кривую депрессии.

Проверим фильтрационную прочность грунтов тела плотины  и основания по значению выходного  градиента:

где Δh – падение напора фильтрационного потока на линейном участке Δl;

l_к – критический градиент, который определяется строительными нормами, для супеси – l_к = 0,60.

Так как условие выполняется, то фильтрационная прочность грунтов  тела плотины и основания будет  обеспечена.

3.4 Статический расчет низового откоса плотины

Низовой откос плотины  больше всего является подверженным обрушению (сползанию), поэтому необходимо выполнить статический расчет его  устойчивости. Для этого вычерчиваем  поперечный профиль плотины в  одинаковом вертикальном и горизонтальном масштабе (1:200) с указанием положения  кривой депрессии (рисунок 2).

Расчет устойчивости откосов  ведем на 1м длины плотины. При  определении коэффициента запаса все  силы переносим на поверхность скольжения, кроме фильтрационной, которую учитываем  как объёмную. Расчет выполняем методом  круглоцилиндрических поверхностей скольжения графоаналитическим способом в следующей  последовательности: