Водосбросная плотина в составе средненапорного гидроузла

                Московский Государственный Строительный Университет

                                      Кафедра гидротехнических сооружений

 

 

 

 

 

 

 

 

 

            Курсовая работа

На тему : ”Водосбросная плотина в составе

средненапорного гидроузла”.

 

 

                                                          

 

 

Факультет:   ГСС

Курс:   IV

Группа: 5

Студент:  Галимов И.М.

Консультант: Бестужева А.С.

 

 

                                                  

 

 

 

 

                                                                            

Москва 2012

Оглавление  курсового проекта

                                       

                                                Глава 1.

 Условие района строительства (исходные данные). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

                                                Глава 2.

  Конструирование водослива и гидравлические  расчеты. . . . . . . . . . . . . . 4

    1. Выбор удельного расхода на рисберме. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
    2. Проектирование водосливного фронта. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
    3. Определение напора на гребне водослива. . . . . . . . . . . . . . . . . 6
    4. Определение условия сопряжения бьефов при

    маневрировании затворами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

2.5  Расчет водобойного колодца. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

    1. Расчет пропуска поверочного расхода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
    2. Расчёт водобойного колодца со стенкой.. . . . . . . . . . . . . . . .15

                                               Глава 3.

   Проектирование подземного контура и фильтрационные расчеты. . . . . . 17

    1. Выбор схемы подземного контура. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
    2. Построение эпюры фильтрационного противодавления. . . . . .17
    3. Определение фильтрационного расхода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
    4. Определение фильтрационной прочности грунтов основания .17

                                               Глава 4. 

     Проектирование конструкции водосливной плотины и

                        статические расчеты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

    1. Сбор действующих нагрузок. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
    2. Расчет устойчивости на сдвиг. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
    3. Расчет контактных напряжений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..27

Глава 5.

Гидравлические  расчеты пропуска строительных расходов......28-29

 

    Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1.

Условие района строительства (исходные данные).

В задании  на курсовой проект дан участок карты  и геологический разрез поймы  реки, на котором необходимо запроектировать  гидроузел комплексного назначения. В состав будущего гидроузла будут  входить: здание ГЭС, бетонная гравитационная водосливная плотина, грунтовая плотина и шлюз

                                Физико-технические характеристики

Наименование

Грунта

Удельный

вес частиц

грунта

gч

Удельный

вес сухого

грунта

     g

Угол внутр. трения

tg j

Удельное

сцепление

С,кПа

Коэффициент

фильтрации

Кф,см/с

Супесь

26,2

17,5

22

6,5

1,3*




 

Расчетные расходы  воды (м3/с)

Расчетный

Поверочный

ГЭС

Минимальный

Максимальный

в строительный период

При перек-

рытии русла

5800

6900

1200

400

1600

600


 

      Отметка нормального подпорного уровня (НПУ):      116,00 м

      Отметка уровня мертвого объёма (УМО):                   111,00 м

      Толщина льда в водохранилище:                                 0,5 м

      Отметка дна  реки:                                                          101 м

      Назначение гидроузла:                                                  комплексное

       Состав плотинного узла:   бетонная водосливная плотина, здание ГЭС, земляная плотина, шлюз .

Лед толщиной 0,5 м в заданных условиях строительства будет таять в верхнем бьефе и не будет сбрасываться в нижний бьеф из-за малого напора.

Уровень воды в реке при  пропуске Qрасч=116м.

При пропуске Q0,01%=116,95м.

При пропуске Qmin=104м.

Максимальный напор на плотину равен 15,95м. 
Глава 2.

Гидравлический расчет водосливной плотины

2.1 Выбор удельного  расхода на рисберме

       Выбор удельного расхода через водосбросные и водопропускные сооружения выполняется путем технико-экономического сравнения вариантов с учетом геологического строения основания, скоростей течения, допускаемой глубины размыва, условия гашения энергии и растекания потока в нижнем бьефе.

       Для определения удельного расхода на предварительных стадиях проектирования воспользуемся следующими способами:

1)По  допустимым скоростям за рисбермой

       Задаемся допустимой средней скоростью на рисберме в зависимости от вида грунта, на котором располагается  рисберма:

  • для глинистых грунтов: 3,0 ¸ 4,0 (м/с).

       Принимаем допускаемую не размывающую скорость uдоп= 3,3(м/с), т.к. основание супесь.

        Принимаем отметку поверхности воды на рисберме, равной отметке поверхности воды в реке в естественных условиях. И по кривой Q=f(H) находим отметку уровня воды в нижнем бьефе при расчетном расходе. Расчетный расход равен Qрасч = 5800 м3/с, отметка нижнего бьефа равна ÑНБ = 107,5 м. Зная отметку дна реки Ñдна = 101 м, находим глубину потока в нижнем бьефе

tб = ÑНБ – Ñдна = 107,5-101 = 6,5 м.

Определяем  удельный расход:

qрисб = uдоп × tб = 3,3 × 6,5 = 21,45 м2/с

 

2) По способу Б.И. Студеничникова

Яма размыва  русла составляет:

hяр = 2tб hяр3tб

По формуле Студеничникова:

Назначаем глубину ямы размыва  за сооружением  равной

, где

1.1 – коэффициент размывающей  способности (зависит от длины  крепления в нижнем бьефе);

g – ускорение свободного падения, g = 9.81 м/с2;

dэкв. – эквивалентный диаметр агрегатов (для глинистых грунтов зависит от e);

Kр – коэффициент размывающей способности потока, зависящий от коэффициента кинетической энергии и условий схода потока с рисбермы;

Так как глинистые грунты, в отличие  от песчаных, не распадаются на агрегаты, согласно таблице №4 принимаем значение dэквив. = 0.01 м.

Полученное значение нас полностью  удовлетворяет, т.к. входит в допустимый интервал 13м<13,3м<19,5м.

2.2 Конструирование водосливного  фронта

Водосливная грань состоит из быков и пролетов, через которые производится пропуск  воды.

Расход, который  должен быть пропущен через водослив, будет равен расчетному расходу.

Qв/с = Qрасч =5800 м3/с


b – ширина пролёта;

d – ширина быка;

n – количество пролётов;

n-1 – количество быков.

 

Поскольку расход за водосливом должен равняться расходу  на водосливе, то можно вывести следующие равенство:

 

b×n×qв = Bрисб×qрисб.

Из этого  равенства можно выразить удельный расход на водосливе:

, а т.к. можно принять , то находим удельный расход на водосливе: qв/с = 1,25 × qрисб =1,25·21,45 = 26,8 м2/с.

Общая ширина водосливного фронта равна:

Принимаем количество пролётов n = 11, а ширину пролётов b = 20 м. Все быки разрезные, ширину быка принимаем равной 5 метра.

Находим ширину рисбермы и удельный расход:

Врисб= b×n + (n-1)×d = 20×11 + 10×5 = 270 м;

 

 

2.3 Определение отметки  гребня водослива

Методом последовательных приближений находим напор на водосливе и отметку гребня водослива.

, где

m – коэффициент расхода водослива;

e – коэффициент учитывающий боковое сжатие;

sп – коэффициент учитывающий подтопление водослива.

, где

d = 0,3×Н + dгор, ширина вставки на водосливе;

dгор = 2 м, ширина горизонтальной вставки.

Удельный  расход через водослив:

Первое  приближение

m = 0,49; e = 1,0; sп = 1,0.

 =5,3 м

, где u0 – скорость подхода воды к водосливу.

м/с, т.к. u0=0,5 м/с, то её надо учитывать.

Рв = Т – Н,  – высота водослива.

Т = ÑНПУ – Ñдна = 116 – 101 = 15 м.

Рв = 15 – 5,28 = 9,7м.

Ñгр.в. =ÑНПУ – Н = 100 – 11,35 = 88,65 м

ÑНБ = 88,9 м следовательно, есть подтопление. =f(hп/H)

hп =88,9 - 88,65 = 0,25 м.

            (hп/H)=0,02→ sп=1

Второе  приближение

 

С = 0,3×5,28+2 = 3,6 м

 

Третье  приближение

 

С = 0,3×5,68+2 = 3,7 м

 

Принимаем: Н = 5,7 м; Ñгр.вс. = 110,3 м. ; Р=9,3 м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Очертание водослива  практического профиля строится по известным координатам Кригера  – Офицерова.

 

 

 

Внизу водосливная  поверхность плотины плавно сопрягается  с горизонтальной поверхностью крепления  нижнего бьефа цилиндрической поверхностью

радиусом  R.  Величина этого радиуса назначается в зависимости от высоты плотины и напора на гребне водослива. Сопрягающий радиус находится интерполяцией по таблице значений сопрягающих радиусов.

Для Н = 5,7 м. принимаем R =2  м.

2.4 Определение форсированного подпорного  уровня


 

 

 

 

 

 

 

 

 

Первое  приближение

m=0,465; e=0,98; sп=1 – характеристики при расчетном расходе

Qmax = 6900 м3/с – поверочный расход

u0=Qmax/Wфпу=6900/11900=0,58 м/с, т.к. u00,5 м/с, то её необходимо учитывать.

ÑФПУ = Ñгр.вс. + НФПУ = 110,3+ 5,91 = 116,21 м

 

 

 

 

Второе  приближение

С = 3,6 м

 

Третье  приближение

 

 

 

Принимаем Нфпу= 6,35 м

ÑФПУ = Ñгр.вс. + НФПУ = 110,3+ 6,35 = 116,65м

2.5 Расчет сопряжения бьефов при маневрировании затворами

       За водосбросной плотиной на нескальном основании принимают донный режим сопряжения бьефов с затопленным гидравлическим прыжком.

При ширине пролета b=20 м целесообразней принять плоский затвор. Расчетные открытия затворов принимаем равными 0,25Н; 0,5Н, Н. Расчет маневрирования затворами производим для шести расчетных случаев и одного поверочного при ФПУ.               


 

                                                               

                                   H

                                                a

 

 

 

 

Целью расчета является определение  условий затопления гидравлического  прыжка, устройство водобойного колодца.


 

 

 

          

  

                                                                                

                                                                                               

                                                                                                                            

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Определение расхода Q0,25Н = φ∙εв∙a∙b∙

η = а/Н = а = 0,25Н / Н = 0,25·5,7=1,425 м

εв =

q0,25H = Q0,25H / b = 168,3 / 20 = 8,415м2/с

 

, первое приближение hсж = 0

Iпр : 

Iпр : 

при h” = hсж

Qн.б.=Qmin=400 м3/с

  1. При открытие всех затворов на а = 0,25Н

Q2н.б.=Qmin+Q0,25H·(n-1)=400+168,3· (11-1)=2083 м3/с

 

hб = 5,3 м

  1. При открытие затвора на а = 0,5Н=0,5·5,7=2,85 м

Определение расхода Q0,5Н = φ∙εв∙a∙b∙

Q3н.б.=Qmin+Q0,25H·n=400+168,3· 11=2251,3 м3/с

 

η = а/Н = а = 0,5Н / Н = 0,5

εв =

q0,5H = Q0,5H / b = 311 / 20 = 15,6 м2/с

, первое приближение hсж = 0

Iпр : 

Iпр : 

 

hб = 5,4 м

  1. При открытие всех затворов на а = 0,5Н=2,85

 

εв =

 

Q4н.б.=Qmin+Q0,5H·(n-1)+Q10,25H=400+311,8· (11-1)+168,3=3686,3 м3/с

 

 

hб =6 м

 

  1. При открытие затвора на а = Н=5,7м

Определение расхода

Q4н.б.=Qmin+Q0,5H·n+Q0,5H=400+311,8· 11+311,8=3829,8 м3/с

 

qн = qв=26,8 м3/с

, первое приближение hсж = 0

Iпр : 

IIпр :   

при h” = hсж

hб = 6м

 

  1. При открытие всех затворов на а = Н=5,7

 

Qн.б.=Q0,1-Q0,5H=5800-311,8=5488,2 м3/с

 

hб =6,5 м

         

  1. Поверочный:

, первое приближение hсж = 0

Iпр : 

IIпр : 

IIIпр : 

при h” = hсж

hб = 6,8 м

 

Полученные  результаты удобно записать в сводную  таблицу.

Сводная таблица

№

а, м

Q1,м3/с

Q, м3/с

q, м2/с

hкр,м

hсж,м

hразд, м

hразд.пр,м

hб,м

hразд,ПР. - hб, м

1

1,425

168,3

400

8,415

1,99

0,51

5,33

3,3

3

0,3

2

1,425

168,3

2083

8,415

1,99

0,51

5,33

5,33

5,3

0,03

3

2,85

311,8

2251,3

15,6

2,4

0,96

4,9

3,04

5,4

-2,36

4

2,85

311,8

3686,3

15,6

2,4

0,96

4,9

4,9

6

-1,1

5

5,7

527,3

3829,8

26,8

4,3

1,68

8,92

5,5

6,1

-0,6

6

5,7

527,3

5488,2

26,8

4,3

1,68

8,92

8,92

6,5

2,42

7

6,35

627,3

6900

31,36

4,8

1,95

9,72

9,72

6,8

2,92





 

В случае, когда  глубина нижнего бьефа (0,7-0,8) hразд.пр <hн.б<1,1 hразд.пр для предотвращения отгона прыжка на водобое достаточно разместить гасители энергии водного потока. Если глубина нижнего бьефа существенно недостаточна для затопления прыжка , её увеличивают, устраивая водобойный колодец с гасителями или водобойную стенку или используя комбинацию этих методов.

По таблице  следует сделать вывод о том, что в 6-ом случае сопряжения бьефов будет происходить отгон прыжка, поэтому этот случай примем расчётным.

В условиях отгона прыжка принимаем решение  о необходимости размещения

гасителей энергии водного потока.

 hраздгас = 0,85·8,92=0,85·8,92=7,582 м <6,5м= hб

Из расчетов видно, что для затопления гидравлического  прыжка устройство водобойного колодца  требуется.

2.6. Расчёт водобойного колодца


 

 

 

 

 

 

 

 

 

Требуется определить глубину колодца . Расчёт ведём для самого опасного расчетного случая (в данной курсовой работе  – для шестого). Глубина колодца определяется из условия затопления гидравлического прыжка с учетом действия гасителей и необходимого запаса:

 

Так как  при заглублении водобойной плиты  условия сопряжения бьефов изменяются, то глубину водобойного колодца  определяем с помощью приближений.

 

Глубина в сжатом сечении:

Первое приближение, hсж = 0 м:

Второе приближение, hсж = 1.5 м:

Третие приближение:

Принимаем hсж = 1.58 м.

hкр =

hразд =1,58/2[ ] = 9.34 м

Принимаем глубину колодца d = 2 м, т.к. выполняется условие

2.8. Расчёт и конструирование водобойной плиты         

Водобойная  плита предназначена для крепления  русла в зоне гидравлического  прыжка. Ее выполняют в виде массивной  армированной бетонной плиты. Плита  водобоя под действующими на нее  силами может всплыть, опрокинуться в сторону нижнего бьефа или  сдвинуться.

2.8.1 назначение размеров водобойной  плиты:

Длину гидравлического  прыжка определим двумя способами:

 

1) Длину водобойной  плиты при наличие гасителей определяетя:

 Примем =40м.

2) Толщину  водобойной плиты назначаем в  размере:

 

 

2.8.2 определение нагрузок, действующих  на водобойную плиту:

Водобойная плита, находящаяся в  зоне гидравлического прыжка, испытывает большие гидромеханические нагрузки. Они вызывают дефицит давления, под  действием которого плита может  потерять устойчивость.


 

                                                 

 

 

 

 

   

                                                                                                                                                   

                                                                                                                               

                                                                

                                                                                                     

 

           

 

    

 

                

 

 

 

                                                                                                                 

 

 

 

    

         

 

 

 

 

1) Определим  вес водобойной плиты (с учетом  взвешивающего действия воды):

 

2) Определим  вес гасителей (с учетом взвешивающего  действия воды):

На водобойной плите на ширине секций расположены 6 гасителей 2*2*2м на расстоянии l=0,3·=0,3·31=9,3 м

23*14*6=672 кН

3) Определим  вес стенки (с учетом взвешивающего  действия воды):

 

 

4) Сила фильтрационного давления на подошву водобоя при расстоянии до второго ряда дрен Lдр =20,7 м находиться по формуле:

 

 

 

 

 

 

5) Дефицит давления находиться по формуле:

 

 

6) В курсовом проекте принимаем распределение пульсационной составляющей гидродинамического давления равномерным, тогда значение силы вертикальной пульсационной составляющей гидродинамического давления равно:

 

 

 

7)Сила осреднённого гидродинамического давления на гасители:

 

Vcж=q/hc=26,8/1,68=15,95 м/с

 

В курсовом проекте проводим проверку устойчивости водобойной плиты:

1. на всплытие;

2. на опрокидывание;

3. на сдвиг.

Условие устойчивости плиты принимаем в виде:

 

где: – действительное значение коэффициента устойчивости плиты

 – нормативное значение  коэффициента устойчивости

 

2.8.3 Расчёт устойчивости водобойной  плиты на всплытие:

 

Условие выполняется.

 

 

2.8.4 Расчёт устойчивости водобойной плиты на опрокидывание:


 

                                                                                    

 

                                   

 

 

                                           

 

                                                                                    

 

                                                                           

 

                                                  

                                                                                    

 

 

                                                                                       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Условие выполняется

 

 

2.8.5 Расчёт устойчивости водобойной  плиты на сдвиг:

 

 

 

 

 

 

 

R`=

 

Условие выполняется

Вывод: отметка подошвы плотины .

2.9. Конструирование рисбермы  и ковша

За водобоем располагаются рисберма и концевое крепление.

Рисберма  – это участок крепления русла  расположенный за водобоем. На рисберме происходит уменьшение осредненных  скоростей и пульсации скоростей. Рисберму выполняют в виде крепления, постепенно облегчающегося по течению. Обычно крепление устраивают из бетонных плит. Толщину плиты в начале рисбермы принимаем равной двум третям от толщины  водобоя. Следующая плита рисбермы будет составлять две третьих  от предыдущей.

Концевой  участок рисбермы заглубляют с уклоном  , в результате чего образуется ковш, предназначенный для защиты рисбермы от подмыва. За счет отсыпки в ковш камня уменьшаем его глубину.


 

 

                

     

 

 

           

 

             

2.9.1. Определение ямы размыва:

Глубина воды в яме размыва вычисляем по методике Б.И. Студеничникова:

 

 

2.9.2. Определяем длину горизонтальной  рисбермы:

 

 

2.9.3 конструирование рисбермы:

Каждая плита  рисбермы по своим размерам составляет от предыдущей

Спроектируем  плиты горизонтального участка  рисбермы:

первая плита:

вторая плита:

Горизонтальный  участок рисбермы равен:

 

Заложение верхового откоса ковша принимаем  , следовательно длину наклонного участка рисбермы принимаем равной:

 

 

Принимаем стандартные  плиты типа 3ПГ6 наклонного участка рисбермы с размерами 59701480мм, толщина плиты

количество  − 5 шт.

Последнюю плиту заглубляем в водоупор с зубом.

Общая длина  крепления:

 

не должна превышать :

 условие выполняется.

Дно ковша  закрепляем каменной наброской.

 

Глава 3.

Конструирование подземного контура плотины. Фильтрационные расчеты.

3.1 Выбор конструкции подземного  контура.

Схема подземного контура формируется  в зависимости от геологического строения, типа основания и требований, предъявляемых к подземному контуру: минимальное фильтрационное давление, сохранение фильтрационной прочности  основания.

В моем случае грунтом основания является супесь, поэтому обязательно создание противофильтрационной завесы в виде анкерного понура, также необходим неглубокий шпунт в начале анкерного понура и в верховом зубе плотины. В данном проекте анкерный понур который служит не столько для защиты от фильтрации, сколько для разгрузки водосливной плотины путем частичной передачи нагрузки от бетонной плотины на понур через гибкое соединение. Он представляет собой железобетонную плиту, арматура которой соединена с арматурой фундаментной плиты плотины. Водонепроницаемость железобетонной плиты обеспечивается оклеечной гидроизоляцией её поверхности и слоем глинистого грунта. Узел сопряжения понура с плотиной выполняется в виде гибкой конструкции, воспринимающей разность осадок понура и плотины без нарушения его водонепроницаемости. Чтобы уменьшить фильтрационное давление на бетонную водосливную плотину и элементы крепления нижнего бьефа устраиваются дренажи и дренажные колодцы.  Дренаж под плотиной практически снимает фильтрационное противодавление, и плотина может иметь минимальный вес.

Для предварительного назначения размеров элементов можно  руководствоваться следующими положениями:

  1. ширина подошвы тела плотины не менее (1,5–2,5)H, где H–статический напор. После построения профиля водослива принимаем ширину подошвы равной 30 м.
  2. принимаю длину грунтового понура 22,5м. (1,5H)
  3. для решения задачи фильтрации надо ввести расчетную глубину залегания водоупора Tакт. В определении Tакт исходим из понятия активной зоны, т.е. такой, в которой при дальнейшем увеличении глубины залегания водоупора, эпюра противодавления, значение выходного градиента и расход практически не изменяются. В нашем случае основной задачей фильтрационного расчета является определение противодавления. Тогда Tакт = T’ акт, где T' акт – определяется в зависимости от отношения горизонтальной L0 и вертикальной S0 проекции подземного контура.
  4. полная длина подземного контура Lo=4+2+2·3+20,5+2+9=43,5м. Глубина подземного контура So=10м.

  промежуточная схема подземного контура

В этом случае Tакт=2,5*S0 =2,5*7=17,5.

Так как в данном проекте отсутсвует водоупор ( ), а активная

глубина 17,5 м, то в фильтрационный расчёт берём расчётную глубину 17,5м.

Водосбросная плотина в составе средненапорного гидроузла 📙 Курсовая → 🆔 55672

Водосбросная плотина в составе средненапорного гидроузла 📙 Курсовая → 🆔 55672

Водосбросная плотина в составе средненапорного гидроузла