Содержание

Задание к курсовому проекту . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  4

1. Конструирование поперечного профиля и элементов плотины.  . . . . . . . . . .4

    1.1. Гребень плотины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

    1.2. Откосы плотины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

    1.3. Крепление откосов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    1.4. Противофильтрационные устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

    1.5. Дренажные устройства. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2. Фильтрационные расчёты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3. Расчёт устойчивости низового откоса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

4. Водосбросные сооружения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Задание к курсовому проекту:

 

Вариант 22

      Тип противофильтрационного устройства    -   ядро.

      Материал  тела плотины   - супесь.

Материал  противофильтрационного устройства и основания плотины -            глина.

      Тип водосбора    - башенный.

      Класс капитальности сооружения   - I.

      Расчётные максимальные расходы воды, м³/с:

• основной обеспеченности   -  0,1%-70.
• катастрофический поверочный   -  0,01% - 80.

Отметка дна водоёма   -  146,9 м.

Расчётные уровни воды, м:

- УМО   - 151,9

- НПУ   -  166,9

Минимальный расход   -   60  м³/с.

Расчётная длина разгона волны   -  4 км.

Скорость  ветра на высоте 10м над уровнем  водоёма   -   10 м/с.

Угол  между осью водоёма и преобладающим  направлением ветра -   45.

Категория автодороги по гребню плотины  -  IV. 

Осредненные значения физико-механических характеристик грунтов  

 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

   Задачей курсового проекта является составление и расчетное обоснование в соответствии с действующей нормативной литературой проекта земляной плотины с башенным водосбросом, а также закрепление знаний, полученных студентами при изучении соответствующих разделов курса, и приобретение опыта и навыков проектирования.

   В курсовом проекте необходимо разработать следующие основные вопросы:

• компоновка сооружений гидроузла;
• конструирование поперечного профиля и элементов плотины: гребня, берм, откосов, дренажа, противофильтрационных устройств, креплений верхового и низового откосов и др.;
• фильтрационный расчет земляной плотины;
• расчета устойчивости низового откоса;
• гидравлические расчеты башенного водосброса.

   В настоящее время проектируют и строят гидроузлы комплексного назначения, в состав которых входят сооружения общие (плотина, водосбросы) и специальные (здания ГЭС, судоходные шлюзы, водозаборы и др.).

   Специальные сооружения изучаются в соответствующих дисциплинах.

В данном проекте разрабатывается только два сооружения: плотина из грунтовых материалов и башенный водосброс.

   Выбор типа и конструкции плотины является основным вопросом проектирования, который решается на основании технико-экономического сопоставления различных вариантов исходя из топографических, инженерно-геологических, гидрологических и климатических условий, и прежде всего наличия грунтовых строительных материалов в близлежащих карьерах и максимального использования материалов из полезных выемок.

   Земляные насыпные плотины можно возводить из всех грунтов, кроме грунтов, содержащих растворимые включения хлоридных солей более 5% по массе и содержащих не полностью разложившиеся органические вещества также более 5% по массе.

   Для строительства однородных плотин чаще всего используются суглинки и супеси, а также мелкозернистые и среднезернистые пески, обладающие достаточной водонепроницаемостью и фильтрационной прочностью.

   Песчаные и гравийно-галечниковые грунты применяются для устройства тела (верховой и низовой призм) всех типов земляных плотин.

   Противофильтрационные элементы плотины (ядра, экраны, понуры, зубья) устраиваются из маловодопроницаемых грунтов (глинистые грунты, торф, грунтовые смеси) с коэффициентом фильтрации менее I0^-4 м/с. 

      1. Конструирование  поперечного профиля  и элементов плотины

   Основной задачей проектирования поперечного профиля плотины является определение отметки гребня плотины и его ширины, а также назначение заложения и очертания откосов плотины. 

      1.1. Гребень плотины

   Гребень плотины обычно используется для устройства автомобильной или железной дороги, размеры которых назначаются, руководствуясь требованиями соответствующих нормативных документов.

   В данном проекте, на гребне плотины, устраивается автодорога III категории.

       Основные параметры:

ширина дороги 6,0 м;

ширина  обочины 2,0 м;

ширина  гребня 10,0 м.

       Для отвода поверхностных вод гребню плотины придается односторонний или двусторонний поперечный уклон, а на обочинах устраиваются ливнестоки. По краям гребня устраивается ограждение в виде надолб (бетонные столбики размерами 1´0,3´0,3 м и с шагом 4 м и более). Со стороны верхнего бьефа может устраиваться сплошной волнозащитный парапет.

       Покрытие  проезжей части автодороги выбирается в зависимости от ее категории  и укладывается на подготовку из гравийно-песчаного или щебеночного грунта. Если гребень плотины сложен из глинистых грунтов, то для его защиты от промерзания укладывается слой несвязанного (песчаного) грунта, толщина которого, включая и покрытие гребня, должна быть не менее глубины промерзания грунта в районе строительства.

       Отметка гребня плотины назначается на основе расчета необходимого возвышения его  над расчетным уровнем воды. При  этом рассматривается два случая стояния уровня воды в верхнем  бьефе:

       1. Нормальный подпорный уровень (НПУ);

       2. Форсированный подпорный уровень (ФПУ).

       Из  двух полученных результатов расчёта (при НПУ и ФПУ) выбирается более  высокая отметка гребня.

       Так как отметка гребня зависит от обеспеченности скорости ветра, а мы используем расчётную скорость (из-за отсутствия данных), то, очевидно, что отметка гребня плотины будет более высокой при ФПУ:

       

, где

        - отметка гребня плотины;

        - отметка форсированного подпорного  уровня;

       h _s – возвышение гребня плотины, которое определяется по формуле:

       

,

       где а - запас возвышения гребня плотины, принимаемый для всех классов плотин не менее 0,5 м;

       Dh_{se t} - нагон воды в верхнем бьефе, м

       

, 

       где a_w -угол между продольной осью водоема и направлением ветра, град.

       a_w=45

       W-расчетная скорость ветра на высоте 10м над поверхностью водоема, м/с

       W=10 м/с

       Z-длина разгона волны, м

       Z= 4 км = 4000м

       Н-глубина воды в верхнем бьефе при расчетном уровне, м, определяется как разность между расчётным уровнем воды в водохранилище (ФПУ или НПУ) и отметкой дна водохранилища;

       Н= 167,9-146,9=21 м;

       

         h_run1%- высота наката на откос волн обеспеченностью 1%, м;

        ,

       где K_r и К_р - коэффициенты шероховатости и проницаемости откоса, принимаются по таблице.

       K_r= 1;  К_р= 0,9;  К_sp= 1,1

       В начале принимаем m₁=3, m₂=2,5.

       К_run- коэффициент, определяемый по графику в зависимости от пологости волны на глубокой воде и заложения верхового откоса плотины ctgj;

         h_1%- высота волны 1%-ой обеспеченности, м

       

,

       где К_1% - коэффициент принимаемый по графику;

        - средняя высота волны, определяемая для глубоководной зоны, в зависимости от безразмерных величин gt/W и .

       

= 392;

       

=0,03;  =0,306 м;

       g

/W=2,2;  = 2,245.

       Средняя длина волны  определяется по формуле

,

       где - период волны, определяемый по графику.

       

 =7,864 ;

       К_1%=2,1;

    

;

    пологость волны:

       

; 

       К_run= 1,5; 

       h_run1%=

;

       h_s=0,0027+0,955+1=1,958 м; 

       ОГ=

= 167,9+1,955 = 169,855 м;

       ФПУ-ОД = 167,9-146,9=21 м;

       Высота  плотины: H_ут.=ОГ-ОД=169,855-146,9= 22,955 м.

      1.2.Откосы плотины.

   Выбор заложения (крутизны) откосов плотины производится на основе опыта строительства и эксплуатации аналогичных сооружений с учетом физико-механических характеристик грунтов тела плотины и основания, действующих на откосы сил, высоты плотины, методов производства работ по возведению плотины и условий ее эксплуатации.

   Назначенные заложения откосов затем проверяются расчетами статической устойчивости и при необходимости корректируются.

   для Н_ут =18 м, принимают

       m₁=3 ; m₂=2,5

   На откосах, высоких и средней высоты плотин, устраиваются бермы. На верховом откосе бермы устраиваются в конце основного крепления, создавая ему необходимый упор и обеспечивая возможность его осмотра и ремонта, и в местах изменения заложения откоса.

   На низовом откосе бермы служат для сбора и отвода дождевых и талых потоков, предохраняя тем самым низовой откос от размыва, а также для обеспечения проезда в период строительства плотины. В курсовой работе расстояние между бермами  по высоте плотины принимают 10 м   и ширину- 2м.

1.3. Крепления откосов.

   Откосы земляных плотин подвержены разрушающим воздействиям ветровых волн, течений воды, льда, атмосферных осадков и т.д.

   Для предотвращения их разрушения предусматриваются соответствующие виды креплений.

   Наиболее распространенными видами креплений верхового откоса плотины являются: каменная наброска из несортированного камня, железобетонные крепления из монолитных или сборных плит. В данном курсовом проекте применяем сборные железобетонные плиты.

   Сборные железобетонные плиты имеют размеры в плане от 1,5´1,5 м до 5´5 м в зависимости от условий их транспортировки и удобства укладки на откос. В процессе укладки плиты омоноличиваются в секции размером в плане 20´20 м и более.

   Применяются они обычно при высоте волны до 2,5...3 м.

   Толщина сборных плит может быть определена по формуле Шайтана B.C.

       

   ,

       где - относительная длина ребра плиты;

       в_se – длина ребра плиты, расположенного по нормали к линии уреза воды, м, принимаем 4 м;

       w- коэффициент полноты погружения, принимают по таблице;

       r_п – плотность материала плиты (в проекте принимаем ж/б плиты, плотность бетона r_б=2400 кг/м³);

       r_в – плотность воды (r_в=1000 кг/м³);

       j – угол наклона верхового откоса к горизонту, .

       j=18

       В_отн=

       w=0,5;

       cos j=0,96

       

   Принимаем толщину плиты равной  5 см.

   Крепление верхового откоса плотины укладываются на подготовку в виде обратного фильтра. Минимальная толщина подготовки 35 см.

   Крепление верхового откоса плотины подразделяется на основное (в зоне наиболее интенсивного волнового и ледового воздействий) и облегченное, располагаемое ниже основного крепления.

   Верхней границей основного крепления, как правило, является гребень плотины.

   Нижняя граница основного крепления принимается на отметке, заглубленной на величину Н_кр = 2h_1% = 2·0,643 = 1,286 м под минимальный уровень воды в водохранилище (УМО).

   Нижняя граница облегченного крепления принимается на отметке, где донные волновые скорости не превышают размывочных скоростей для грунта откосов плотины – для облегчённого крепления.

   Низовой откос защищается от разрушения атмосферными осадками посевом  трав по слою растительного грунта толщиной 0,2…0,3 м.

1.4. Противофильтрационные устройства.

   Противофильтрационные устройства в земляных плотинах устраиваются в тех случаях, когда необходимо: уменьшить фильтрационный расход через тело плотины, понизить кривую депрессии для обеспечения устойчивости низового откоса и предотвращения пучения грунта при промерзании, а также уменьшения градиента фильтрационного потока.

   Противофильтрационные устройства выполняются из материалов значительно менее водопроницаемых, чем материал тела плотины. Это либо слабоводопроницаемые грунты (глина, суглинки и др.) и их смеси, либо негрунтовые материалы, (бетон, железобетон, полимерные пленки и т.д.).

   В земляных плотинах чаще всего применяются грунтовые противофильтрационные устройства в виде экранов, а при глубоком залегании водоупора - экранов в сочетании с понуром и вертикальных ядер. Наклонные ядра применяются редко.

   В данной работе принято ядро . Грунт, составляющий плотину – песок, а ядро – глина.

   Толщина экрана принимается переменной, увеличивающейся сверху вниз. Минимальная толщина ядра или экрана поверху d₁ назначается в зависимости от используемых для их возведения машин и механизмов, но во всех случаях должна быть не менее 0,8 м.

       Толщина экрана понизу определяем по формуле:

      

,

где J - действующий средний градиент напора в экране;

d₂ - толщина экрана понизу, м;

Н - напор на плотину, м (разность между уровнем НПУ и минимальным уровнем воды в нижнем бьефе);

К_н - коэффициент надежности, принимаемый в зависимости от класса капитальности плотины (принимаем по таблице);

J_cr - критический средний градиент напора, принимаемый по таблице.

       Для глины: J_cr 12;

       Для класса сооружения I: К_н=1,25;

       Н= 166,9 – (146,9+1,28) =18,72 м.

       

        ;

       Мы  принимаем  ,

   Отметка гребня ядра и экрана должна быть не ниже отметки ФПУ с учетом высоты наката и ветрового нагона уровня волн. Сверху гребень ядра и экрана покрывается защитным слоем песка толщиной не менее глубины промерзания грунта в районе строительства плотины. 
 
 
 

1.5. Дренажные устройства. 

   Дренажные устройства в теле земляной плотины предназначены для сбора и организованного отвода в нижний бьеф фильтрационного потока, недопущения его выхода на незащищенный низовой откос плотины и в зону, подверженную промерзанию, а также ускорения консолидации глинистых грунтов и уменьшения порового давления в теле плотины и основании.

   Обычно дренаж состоит из двух частей: приемной, которая выполняется в виде обратного фильтра, и отводящей, выполняемой из камня, дренажных труб, пористого бетона и т.д. По длине плотины могут устраиваться дренажи различной конструкции. Наиболее распространенные конструкции дренажей тела земляных плотин приведены в справочниках.

   Дренажная призма (банкет) устраивается чаще всего на русловых участках плотины. Превышение гребня дренажной призмы над максимальным уровнем воды в нижнем бьефе h_s определяется с запасом на волнение и должно составлять не менее 0,5 м.

   Принимаем высоту равную 4 м, ширину банкета поверху равную 5м.

2. Фильтрационные расчеты.

   Фильтрационные расчеты земляных плотин выполняются с целью определения положения депрессионной кривой, фильтрационного расхода, установления градиентов и скоростей фильтрационного потока.

   Для выполнения этих расчетов плотина со всеми элементами вычерчивается на миллиметровой бумаге. В курсовом проекте фильтрационные расчёты выполняем методом эквивалентного профиля. В этом методе реальный поперечный профиль плотины заменяем эквивалентными в фильтрационном отношении профилем с вертикальным верховым откосом. При построении кривой депрессии участок её примыкания к реальному верховому откосу исправляем визуально так, чтобы участок был перпендикулярен откосу в точке его пересечения с уровнем воды в верхнем бьефе и затем плавно переходим в депрессионную кривую.

   Расход фильтрационного потока через тело плотины q_m по зависимости:

        .

       Н ₁= НПУ – ОД = 166,9-146,9 = 20 м;

       Н ₂ = 2 м;

        .

        ,

       где b - коэффициент, учитывающий крутизну верхового откоса, определяемый по формуле Г.К. Михайлова:

        =0,4.

        ( средняя толщина ядра) равна:

        ,

        =1,9 м.

      b_пр.гр - приведенная ширина гребня плотины, м

         ;

        ,

        L_пр.я – приведённая толщина эквивалентного ядра.

       K_m-  коэффициент фильтрации тела плотины, K_m=10^-5см/с;

       K_я=10^-7см/с

       L_пр.я=  

       в_пр.гр= 10 + 190 - 1,9 = 198,1 м;

       L_р=67,16 + 3·1,958 + 198,1 + 2,5·(167,9+1,958) - 3·4 = 683,779