Водохранилищный гидроузел в составе земляной плотины и водопропускных сооружений

 Министерство  науки и образования РФ  

 Кубанский государственный технологический  университет 

 Кафедра строительных конструкций и гидросооружений. 
 
 
 
 
 

 Пояснительная записка 

 к курсовому проекту по дисциплине:

 «Речные гидротехнические сооружения»

 На  тему: «Водохранилищный гидроузел в составе земляной плотины и водопропускных сооружений» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 Выполнил:  ____________________________ст. гр. 07-С-ГТ1 Киблик А.В.

 Допущен к  защите:________________________________________________ 

 Руководитель  проекта:  ______________________________Чебанова Е.Ф. 

 Нормоконтролёр:_________________________________________________ 

 Защищен: ________________Оценка_________________________________ 

 Члены комиссии:_________________________________________________ 
 
 
 
 
 

 Краснодар 2010 

 СОДЕРЖАНИЕ

 Введение………………………………………………………………………… 5

1 Проектирование земляной плотины………………………………………….. 6

1.1 Определение  отметки гребня плотины …………………………………..6

1.2 Конструирование поперечного профиля плотины……………………... 8

3. Крепление откосов плотины……………………………………………...9
4. Фильтрационные расчеты………………………………………………..11
5. Определение фильтрационной устойчивости………………………….14
6. Расчет устойчивости низового откоса …………………………..….14

2 Расчет осадки основания плотины…………………………………………...21

3 Выбор типа  водосбросного сооружения…...…………………………….. …23 

  3.1  Расчет  траншейного водосброса………………………………………..23

  3.2  Гидравлический  расчет и конструирование элементов  сооружения.. 26

4  Пропуск  строительных расходов…………………………………………..27

Список используемой литературы……..  …………………….……………..28                                                  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 Введение

  

 Разработка  проекта гидротехнических сооружений - это сложный творческий процесс.    В зависимости от назначения и  ответственности сооружений их проектирование ведут в одну или две стадии. В проектах наиболее крупных сооружений речных гидроузлов последовательно решают комплекс вопросов по обоснованию необходимости, экономической целесообразности и технической возможности строительства сооружений; Разрабатывают несколько конкурирующий вариантов конструкций и компоновок сооружений с последующей детальной разработкой рекомендуемого к строительству варианта. Рекомендуемый вариант разрабатывают до рабочих чертежей, по которым осуществляется строительство сооружений.

   Для успешной разработке проекта, проектировщик должен уметь анализировать исходные условия (рельеф, гидрологи, геология и др.) Знать конструкции сооружений, возможности применения и технологию их возведения, владеть методами расчета, выбранных конструкций, прогнозировать последствия, вызванные их строительством. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 1  Проектирование земляной плотины

 1.1 Определение отметки гребня плотины

 Чтобы земляная плотина не разрушалась, вода не должна переливаться через её гребень, поэтому  отметку верха плотины располагают выше расчетного уровня на величину  d, тогда высота плотины будет равна:

 

,

           где  Н_ВБ - расчетная глубина воды перед плотиной, при НПУ;

 d  - превышение гребня над расчетным уровнем воды в водохранилище.

   Превышение гребня плотины над НПУ определяется по формуле:

 

,

 где   — высота наката ветровой волны на откос, м;

       — высота ветрового нагона воды, м;

        — запас, принимаемый не менее 0,5 м для плотин, разрушение которых может вызвать последствия катастрофического характера и угрожать безопасности населения.

 Класс сооружения выбираем по СНиПу 33-01-2003, в  зависимости от предварительной высоты плотины , и грунта основания - глина.

 По  таблице Б.1 принимаем IV класс сооружения.

 Высота  ветрового нагона зависит от скорости ветра, его направления к водохранилищу, глубины водохранилища, длины разгона волны и других факторов и определяется по формуле (148)* СНиП 2.06.04. Высота ветрового нагона определяется методом последовательных приближений по формуле:

 

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

       - расчетная скорость ветра на высоте 10 м над уровнем воды, м/с; 

       – длина разгона ветровой волны, м;

       – коэффициент, зависящий от скорости ветра, принимаемый

 по  таблице 2(Приложение 1 СНиП 2.06.04.82*) = . 
 
 
 

 

  ; 

 

 

 где - высота наката ветровых волн обеспеченностью 1%;

        -коэффициент, учитывающий шероховатость откоса. Принимается по табл. 6 СНиП в зависимости от крепления верхового откоса.

 .       -коэффициент, учитывающий крупность камня. Принимается по таблице 6 СНиП.

         -коэффициент, учитывающий скорость ветра и крутизну откоса. Принимается по таблице 7 СНиП.

           -коэффициент, принимаемый по таблице 9 СНиП, в зависимости от угла подхода фронта волны к плотине.

           -коэффициент, принимаемый по графику 10 СНиП, учитывает пологость или гребень волны.

           -коэффициент, принимаемый по таблице 8 СНиП, учитывает вероятность превышения волны по накату.

 Высота  наката на откос волн обеспеченностью 1%  определяется по формуле:

 Определяем  безразмерные величины и .

 где g – ускорение свободного падения (9,81 м/с²);

 t – непрерывная продолжительность действия ветра, с; (при отсутствии сведений о продолжительности действия ветра допускается принимать t = 6 час = 21600 с);

 V_w – расчетная скорость ветра, м/с;

 L – длина разгона ветровой волны, м.

 

 По верхней  огибающей кривой (рисунок 1 СниП 2.06.04-82*).

 

 Средняя длина  волны определяется по формуле:

 

 

 

 Превышение  над уровнем НПУ:

 

.

 Принимаем d=2 м.

 

 

 1.2 Конструирование поперечного профиля плотины

 На основе опыта строительства и эксплуатации плотин выбирают коэффициент заложения откосов. Для земляной плотины высотой 11 м. и грунта тела плотины – песок средней крупности принимаем заложение верхового откоса m=3, а низового откоса m=2.

 В нижнем бьефе  ставится противофильтрационное устройство – дренажный банкет. 

 Дренаж предназначен для организованного отвода воды в нижний бьеф фильтрационного потока, недопущения его выхода на незащищенный низовой откос плотины и в зону, подверженную промерзанию. Дренаж состоит из двух частей: приемной, которая выполняется в виде обратного фильтра, и коллектора, выполняемого из слоёв песка, щебня, гравия, дренажных труб, пористого бетона и т.д.

 Ширина гребня плотины назначается в соответствии с категорией проезда II.

 Общая ширина земельного полотна-15 м.

 Число полос-2. Ширина полосы-3,75. Ширина обочины-3,75. 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1.3 Крепление откосов плотины

 Для предотвращения разрушения откосов  плотины под действием волн, течений  воды, льда и других разрушающих факторов предусматривается их крепление бетонными плитами. Верховой откос - в зоне изменения уровня воды от гребня плотины до УМО делается усиленное крепление верхового откоса.   .

 Такое крепление обычно применяется на откосах с заложением m =2,5...3.

 Толщина бетонных плит с учетом длины волны: 

 

 Принимаем tб=0,1 м

 где  γбет — средняя плотность бетона, равна 2,5 т/м³;

        b — размер плиты 8м.

 Обратный  фильтр под каменной наброской состоит из 1 слоя разнозернистых материалов. Толщина гравийно-песчаной подготовки принимается 35 см.

       Низовой откос покрываем растительным грунтом  толщиной 0,2 м с посевом трав. Для  покрытия откоса используем грунт, снятый в основании плотины.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 

 1.4 Фильтрационные расчеты

 Явление движения воды в порах грунта называется фильтрацией воды.

 Расчетом  фильтрации определяют: высоту выхода фильтрационного потока на низовой  откос, расход фильтрационного потока через тело плотины, положение кривой депрессии в теле плотины, скорость фильтрационного потока при выходе на низовой откос, уклон кривой депрессии в разных зонах плотины.

 Общий фильтрационный расход как сумма расходов через тело и основание платины ( ):

 

 Расход  в основании плотины:

 

 

   

 В теле плотины:

 

 

 Построим  кривую депрессии, для этого найдем координаты х и у в пределах                                  

   

 Таблица 1 – Координаты кривой депрессии

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 
 
 

 1.5 Определение фильтрационной устойчивости 

         При проектировании сооружений необходимо выполнить проверку на общую и местную фильтрационную прочность грунтов основания и тела плотины. При выполнении расчета фильтрационной прочности напор, действующий на плотину, принимают равным его наибольшему значению.

      Для того, чтобы не допустить фильтрационные деформации, необходимо выполнить следующее условие:

J^ср ≤J_кр/К_н  

где J^ср – действующий средний градиент напора в расчетной области фильтрации;

      J_кр – критический средний градиент напора, принимается по таблице

К_н  - коэффициент надежности по ответственности сооружения принимается по СНиП 33-01-2003. Для сооружений IV класса – 1,1. 

 Проверяем фильтрационную устойчивость:

 - тела плотины;

 -низового  откоса;

 -основания  плотины. 

   

 

 Условие выполняется, следовательно фильтрационных деформаций не возникнет. 

 1.6 Расчёт устойчивости низового откоса плотины

 При назначении откосов плотины необходимо стремиться к как можно меньшему их заложению  в целях снижения объемов плотины, а следовательно и уменьшению её стоимости.

 Однако  слишком крутые откосы могут оказаться  слишком неустойчивыми, непременно приведёт к обрушению плотину. Поэтому  необходимо назначить оптимальный  вариант заложения откосов, удовлетворяющий  требованиям как устойчивости, так  и экономичности плотины. 

 Устойчивость  откоса зависит от его высоты и  крутизны, а также физико-механических свойств грунта (средняя плотность  , угол внутреннего трения , удельное сцепление , влажность), давления фильтрационного потока и других факторов.

 Допустимую  крутизну откоса определяют специальным  расчётом. Он базируется на одной из двух теорий: теории «предельного равновесия», согласно которой считается, что  во всех точках сдвигающейся массы существует предельное равновесие, и теории, которая основывается на использовании модели отвердевшего отсека обрушения грунта.

 В инженерной практике чаще используют вторую теорию. В основу расчёта  по этой теории положены следующие  соображения и допущения (рисунок 1):

 - поверхность обрушения АВ, по  которой под действием собственного  веса грунта Q может произойти его сползание, принимается криволинейной, круглоцилиндрической, описанной радиусом R из центра вращения O (при этом считается, что отсек скользит по поверхности, не деформируясь);

 - сползающая масса отсека обладает  как силой трения, так и силой  сцепления. 
 
 
 
 
 
 

   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 Рисунок 1 – Схема к расчёту устойчивости откоса. 
 
 

 На  поверхности скольжения возникают:

1. удерживающая сила трения:

                                                                                                                              

 где

  - нормальная составляющая собственного  веса Q отсека;

  - коэффициент внутреннего трения  грунта;

  - угол внутреннего трения;

2. удерживающая сила сцепления, равная CL, пропорциональна длине дуги L и величине удельного сцепления C;
3. сдвигающая сила T – касательная составляющая собственного веса:

                                                       ;                                                                       

 Ф – сдвигающая сила давления фильтрационного  потока, равная ,

 где

  - площадь, ограниченная кривыми  скольжения и депрессии;

  - средний уклон фильтрационного  потока в пределах площади  .

 Сползание отсека будет иметь место в  том случае, если сумма моментов сдвигающих сил будет больше суммы моментов удерживающих . Перенеся условно все действующие силы на кривую скольжения и записав моменты в отношении центра кривизны О, можно получить коэффициент устойчивости откоса: 

 

 где

  - радиус кривизны кривой сползания;

  - плечо (расстояние от О  до центра тяжести площади  ) силы давления фильтрационного потока.

       При определении  устойчивости откоса, согласно СНиП 2.06.05-84, необходимо рассматривать следующие  случаи:

1. основной: при нормальном подпорном уровне в верхнем бьефе, в теле установившаяся фильтрация, в нижнем бьефе уровень воды соответствующий НПУ;
2. особый случай: при форсированном подпорном уровне в верхнем бьефе, в нижнем бьефе глубина воды соответствует ФПУ.

 При использовании метода круглоцилиндрических поверхностей сдвига выполняют следующие  основные операции.

1. Сроят область нахождения центров поверхностей сдвига.
2. Проводят круглоцилиндрические поверхности сдвига.
3. Вычисляют значение коэффициента устойчивости откоса для множества поверхностей сдвига по формуле:

 

  - равнодействующая моментов сил сопротивления сдвигу относительно оси поверхности сдвига;

  - равнодействующая активных  сил относительно оси поверхности  сдвига.

4. Определяют минимальный коэффициент устойчивости - .
5. Делают вывод об устойчивости откоса и правильности принятого его заложения. Откос считается устойчивым, если

                                                                                                                

  - коэффициент надёжности, принимается  в зависимости от класса сооружения, для IV класса

  - коэффициент сочетания нагрузок, для основного сочетания, ;

  - коэффициент учитывающий точность  расчётов, для упрощённого метода  расчёта 

 Найденное значение не должно превышать более чем на 10%, если это не обусловлено особенностями сооружения. 
 

 Расчёт  выполняем графо-аналитическим методом. Порядок расчёта.

1. Необходимо построить в одинаковом масштабе по горизонтали и вертикали расчётный профиль плотины.
2. Проводим усредняющую линию низового откоса.
3. Определяем середину откоса точку А.
4. Из середины откоса точки А проводим две линии: вертикальную и под углом 85° к откосу.
5. Находим область центров кривизны кривых сползания. Для этого из центра А проводим две дуги радиусом которые определяются по таблице 4, в зависимости от заложения откоса.

 

 Для заложения откоса и высоты плотины:

6. В образовавшемся секторе, ограниченном прямыми и дугами выбираем точку О  - центр скольжения.
7. Из точки О проводим дугу радиусом R, так, чтобы она прошла между осью плотины и бровкой низового откоса. Величину R определяем графически.
8. Разбиваем область, ограниченную кривой скольжения и внешними очертаниями плотины на отсеки шириной , так чтобы центр нулевого отсека располагался под центром кривой сдвига. Центр кривой сдвига – точка пересечения вертикальной линии проведённой из центра скольжения О до линии откоса. Нулевой сектор располагаем, так – откладывая в обе стороны от вертикали расстояние равное . Остальные секторы нумеруем с положительными знаками – вверх по откосу, с отрицательными знаками – вниз к подошве.
9. Определяем исходные физико-механические характеристики грунтов тела плотины и основания (таблица 2).

 

 Таблица 2 (справочная) 

 
 

10. Вычисляем плотность грунта каждого слоя:

  - объёмная масса соответственно  сухого, влажного грунта тела  и грунта основания.

 

  - плотность сухого грунта,

  - зависит от естественной  влажности, при влажности 12-18%,

 

 

  - плотность воды, равная 1,0 т/м³.

 

11. По чертежу  для каждого отсека определяем высоты: - высота участка соответственно сухого, влажного грунта тела и грунта основания.
12. Определяем приведённую высоту для каждого отсека:

                                                                                                             

13. Находим силу трения, возникающую на подошве всего массива обрушения, суммируя соответствующие силы по отсекам:

 

14. Определяем  касательную составляющую силы тяжести  трения:

 

15. Определяем  силу сцепления, возникающую на подошве  обрушения:

 

  удельные сцепления грунта тела плотины и основания, при естественной влажности и при насыщении водой;

  длины дуг кривой сдвига, соответствующих  удельных сцеплений, вычисляютсяч по формуле:

 

  - центральный угол круглоцилиндрической поверхности сдвига, опирающийся на дугу . Определяется по чертежу.

  - средний градиент фильтрационного  потока;

  - площадь водонасыщенного сечения,  площадь секторов ниже кривой депрессии.

16. Определяют коэффициент устойчивости:

 

  - плечо фильтрационной силы, равное расстоянию от центра  кривой скольжения до центра  тяжести площади  , которое определяют по чертежу.