Сетевое издание

Международный студенческий научный вестник

ISSN 2409-529X

Исходные данные

1. Уровни воды в верхнем бьефе: ФПУ=14,0 м; НПУ=13,0 м; УМО=8,0 м

2. Уровни воды в нижнем бьефе: УНБmax=6,0 м, УНБmin=5,0 м

3. Отметка основания: 3,0 м

4. Расходы: (м3/c): строительный: - м3/с

через водосбросное сооружение: 50 м3/с

через водопропускное сооружение: - м3/с

5. Характеристики ветра: скорость: 10 м/с, направление: 90 град.

6. Длина разгона волны: 10 км

7. Условия проезда по гребню: дорога 2 категории

8. Грунт тела плотины: супесь; основания: песок, мощность: 10 м

ВВЕДЕНИЕ

В данном курсовом проекте представлен расчет водохранилищного гидроузла в составе подпорной грунтовой плотины и водопропускных сооружений. Расчет проведен в приближенной форме по сокращенным формулам.

В ходе работы проведены следующие расчеты и приняты решения в соответствии с действующими СНиПами и ГОСТами: выбор створа плотины и компоновка сооружений, фильтрационный расчет, расчет устойчивости низового откоса, расчет осадки основания плотины, крепление откосов, выбор типа водосбросного сооружения, гидравлический расчет водосбросного сооружения.

1 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПОПЕРЕЧНОГО ПРОФИЛЯ ПЛОТИНЫ

1.1 Определение отметки гребня плотины

Земляные плотины не допускают перелива воды через гребень, что может привести к их разрушению, поэтому гребень плотины располагают выше расчетного уровня воды в водохранилище на величину d – превышение гребня плотины над расчетным уровнем воды, тогда высота плотины будет равна Hпл:

Hпл = H+d, (1.1.1)

где, Н – расчетная глубина воды перед плотиной, м;

d – превышение гребня над уровнем воды в водохранилище, м;

Отметка гребня плотины назначается с учетом возвышения его над расчетным уровнем воды.

Это превышение определяется по формуле:

d = hнак + Δhн + a, (1.1.2)

где, hнак – высота наката ветровой волны на откос, принимаемая как большее из значений м;

Δhн – высота ветрового нагона воды, м (принимаем Δhн = 0);

а – конструктивный запас равный 0,5 м.

d= 0,94 + 0 + 0,5 = 1,44 м

В зависимости от высоты плотины ΔН = ФПУ - Zосн =14,0 -3,0 = 11,0 м, и грунта основания – песок, подбираем коэффициенты заложения верхового и низового откоса. При данных условиях коэффициенты заложения назначаем m1 = 3,0 и m2 = 2,0 верхового откоса и низового соответственно, класс сооружения IV.

Расчет превышения над уровнем ФПУ производим по упрощенной схеме. Высота ветрового нагона Δhн зависит от скорости ветра, его направления к водохранилищу, длины разгона волны, глубины водохранилища и других факторов. Высота ветрового нагона Δhн определяется по двум формулам, среди которых выбирается наибольшее значение:

(1.1.3)

где С – высота волны, м;

К – коэффициент зависящий от угла подхода фронта волны к откосу плотины, принимаем К = 1,0;

m – коэффициент заложения верхового откоса плотины.

, м (1.1.4)

где С – высота волны, м;

n – коэффициент шероховатости, принимаем n=0,025;

m – коэффициент заложения верхового откоса плотины.

м

(1.1.5)

где L – длина разгона волны, м;

W – скорость ветра, м/с.

м

Принимаем .

Определим отметку гребня плотины :

= (1.1.6)

= 13 + 1,44 = 14,44 м

Hпл = 11 + 1,44 = 12,44 м

ФПУ = 14,00 м Zгр ФПУ на 0,5 м

1.2 Определение геометрических параметров плотины

Определим ширину плотины по гребню. Она назначается в зависимости от категории дороги, проходящей по гребню. Категория дороги назначается в исходных данных – II категория.

Ширина проезжей части дороги II категории равна 7,5 м. Ширина обочины равна 3,75 м.

(1.2.1)

где – ширина плотины по гребню, м;

– ширина проезжей части, м;

– ширина обочины, м.

На верховом откосе устраиваем берму шириной 5 м. Отметка бермы определяется по формуле:

(1.2.2)

где – отметка уровня бермы на верховом откосе, м;

С – высота волны, м.

Ширина бермы на верховом откосе назначается 3 – 5 м.

Принимаем .

На низовом откосе берма устраивается через каждые 10 – 15 м. Отметка бермы определяется по формуле:

(1.2.3)

где – отметка уровня бермы на низовом откосе, м;

– отметка гребня, м.

Ширина бермы на низовом откосе назначается 3 – 6 м.

Принимаем .

Для того чтобы определить ширину плотины по основанию необходимо найти параметры дренажа.

Принимаем конструкцию дренажа в виде дренажного банкета.

Дренаж предназначен для сбора и организованного отвода в нижний бьеф фильтрационного потока, недопущения его выхода на незащищенный низовой откос плотины и в зону, подверженную промерзанию, а так же ускорения консолидации глинистых грунтов и уменьшения порового давления в теле плотины и основания. 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.

Определим отметку дренажного банкета. Минимальный конструктивный запас над расчетным уровнем воды в нижнем бьефе составляет 0,5 м. Принимаем превышение над УНБmax равным 0,5 м.

(1.2.4)

где – отметка уровня бермы дренажного банкета.

Ширина бермы дренажного банкета должна быть не менее 1 м. Принимаем b3 = 3,0 м.

Коэффициент заложения откосов дренажа принимаем m3 = 1,5.

Определим ширину плотины по основанию.

(1.2.5)

где – высота плотины, м;

– отметка гребня плотины, м;

– отметка бермы дренажа, м;

– отметка основания, м;

– ширина гребня плотины, м;

– ширина бермы верхового откоса плотины, м;

– ширина бермы низового откоса плотины, м;

– ширина бермы дренажного банкета, м;

– коэффициент заложения верхового откоса плотины;

– коэффициент заложения низового откоса плотины;

– коэффициент заложения откоса дренажного банкета;

1.3 Крепление верхового откоса плотины

Верховой откос плотины подвержен разрушительному действию от волн и льда. Поэтому для защиты от пагубных воздействий устраиваем в пределах возможного волнобоя устраиваем крепление в виде железобетонных плит.

Плиты укладываются на слой гравийно-песчаной подготовки толщиной 15 – 30 см. Швы между плитами гидроизолируют и в нижней части крепления располагают упорный блок.

Толщину бетонных плит рассчитаем по формуле П. А. Шанкина:

(1.3.1)

где С – высота волны, м;

λ – длина волны,м;

b – размер плиты в направлении падения откоса, примем b=5,0 м;

γσ – средняя плотность бетона, т/м3;

m – коэффициент заложения откоса.

Принимаем минимально допустимую величину толщины плит при данных размерах плит (b = 5,0 м) δ = 0,15 м.

2 РАСЧЕТ ФИЛЬТРАЦИОННОГО ПОТОКА ЧЕРЕЗ ТЕЛО ПЛОТИНЫ И ОСНОВАНИЕ

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

Общий фильтрационный расход определяется как сумма расходов через тело и основание плотины:

(2.1)

где – фильтрационный расход через тело плотины, м3/сут;

– фильтрационный расход через основание плотины м3/сут.

Рисунок 2.1 – Расчетная схема фильтрации через однородную плотину.

В основании плотины:

(2.2)

где,

– коэффициент фильтрации для супеси:

=1см/сек = 0,08 м/сут.

n – конструктивный поправочный коэффициент n = 1.151.87 принимаем n = 1,3

T – толщина до водоупора T= 10 м

– ширина плотины по низу

0,005 м3/сут

В теле плотины:

(2.3)

где, =

– коэффициент фильтрации для суглинка:

=1см/сек = 0,001 м/сут.

= 0,0001 м3/сут

где d – превышение гребня над уровнем воды в водохранилище, м;

– коэффициент заложения верхового откоса плотины;

– коэффициент заложения низового откоса плотины;

– коэффициент заложения откоса дренажного банкета;

высота дренажа, м;

– ширина бермы низового откоса, м.

Определим общий фильтрационный расход:

.

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

Вывод: Кривая депрессии не выходит над дренажным банкетом и находится ниже поверхности откоса плотины с учетом глубины промерзания равной 0,8 м.

2.1 Определение фильтрационной устойчивости

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

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

(2.1.1)

где – действующий средний градиент напора в расчетной области фильтрации;

– критический средний градиент напора;

– Коэффициент надежности по ответственности сооружения, принимаем для плотины IV класса – 1,1.

Проверяем фильтрационную устойчивость основания плотины

Jср = (2.1.2)

Jср0,072

Проверяем фильтрационную устойчивость тела плотины.

Jср =tgα (2.1.3)

где α – угол наклона кривой депрессии в теле плотины.

Jср

Проверяем условие:

• для тела плотины 0,26 ≤ → 0,26 ≤ 2,72 условие выполняется

• для основания плотины 0,072≤ →0,072≤ 0,34 условие выполняется

Вывод: Так как величины действующих градиентов напора расчетной области не превышают критических градиентов напора, то вероятность суффозии исключена, значит противофильтрационные устройства не требуются.

3. РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ НИЗОВОГО ОТКОСА

Выполняем графо - аналитический расчет в приближенной форме методом круглоцилиндрических поверхностей.

При использовании метода круглоцилиндрических поверхностей сдвига выполняют следующие операции:

Порядок расчёта:

1. Необходимо построить в одинаковом масштабе по горизонтали и по 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 сползания. Для этого из центра А проводим две дуги радиусом R1 = K1Hпл и R2 = K2Hпл, которые определяются по таблице 4, в зависимости от заложения откоса.

Для заложения откоса m = 2 и высоты плотины Hпл = 12,44 м; K1 = 0,75; R1=9,33 м.; K2 = 1,75; R2 = 21,77 м.

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. R = 32,4 м.

8. Разбиваем область, ограниченную кривой скольжения и внешними очертаниями плотины на отсеки шириной b = 0,1R = 3,24 м, 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 0,5b. Остальные секторы нумеруем с положительными знаками – вверх по откосу, с отрицательными знаками – вниз к подошве.

9. Определяем физико-механические характеристики грунтов тела плотины и основания.

10. Вычисляем плотность грунта каждого слоя:

γ1, γ2, γ3 – объёмная масса соответственно сухого суглинка, влажного суглинка и влажной супеси.

γ1 = (1-n) γгр • K (3.1)

n – пористость грунта;

γгр – плотность сухого грунта;

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

K = 1,11 (принимаем K = 1,1 т. к. сооружение IV класса);

γ1 = (1 - 0,35) •2,72 • 1,1 = 1,9 т/м3;

γ2 = (1-n)(γгр.т – γ0)K (3.2)

γ0 – плотность воды, равная 1,0 т/м3;

γ2 – объемная масса влажного суглинка, т/м3.

γ2 = (1-0,35)(2,72 – 1) 1,1= 1,23 т/м3;

γ3 = (1-n)(γгр.ос – γ0)K (3.3)

γ3 = (1-0,4)(2,70 – 1) 1,1= 1,12 т/м3;

По чертежу для каждого отсека определяем высоты p, h2, h3 – высота участка соответственно сухого, влажного грунта тела и грунта основания.

Определяем приведённую высоту каждого для каждого отсека:

hпр = p + h2γ2/γ1 + h3γ3/γ1 K (3.4)

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

F = bγ1Σ(h_прcosα • tgϕ), (3.5)

F = 3,24• 1,9 • 54,89 = 361,02 H;

Определяем касательную составляющую силы тяжести трения:

T = bγ1Σ(hпрsinα), (3.6)

T = 3,24 • 2,03 • 28,36 = 261,57 H;

Определяем силу сцепления, возникающую на подошве обрушения:

S = с1l1 + c2l2 + c3l3; (3.7)

с1, c2, c3 – удельные сцепления грунта тела плотины и основания при естественной влажности и при насыщении водой;

l1, l2, l3– длины дуг кривой сдвига соответствующих удельных сцеплений, вычисляются по формуле:

l = 2πRβ / 360° ,

β – центральный угол круглоцилиндрической поверхности сдвига, опирающийся на дугу l. Определяются по чертежу. (β1 = 11, β2 = 27, β3 = 79)

l1 = 2 • 3,14 • 32,4• 11 / 360 = 6,24 м;

l2 = 2 • 3,14 •32,4 •27 / 360 = 15,40 м;

l3 =2 • 3,14 • 32,4 •79/ 360 = 44,92 м;

S = 12,48 + 30,8+ 157,22 = 200,5 Н;

Устойчивость откоса земляного сооружения с учетом воздействия фильтрационного потока определяется по формуле:

(3.8)

К - обобщенный коэффициент запаса не должно быть меньше величины = =1,21.

R – радиус круглоцилиндрической поверхности, принимаем по чертежу R = 32,4 м;

r – радиус из вершины круглоцилиндрической поверхности до центра тяжести секторов под кривой депрессии, принимаем по чертежу r = 25,3 м;

Ω – площадь поперечного сечения секторов под кривой депрессии, принимаем по чертежу равной 422 м2;

I – угол наклона кривой депрессии, принимаем по чертежу i=0,29;

φ – угол внутреннего трения грунта;

b – ширина сектора, м

– объемная масса грунта, т/м3;

С – коэффициент удельного сцепления грунта;

L – длина дуги кривой сдвига, м;

- коэффициент надежности по назначению сооружения равен 1,0;

- коэффициент сочетания нагрузок равен 1,0;

- коэффициент условий работы равен 0,9.

Таблица 3.1 – Расчет устойчивости низового откоса

Вывод: Так как , значит условие устойчивости низового откоса плотны обеспечивается .

4. РАСЧЕТ ОСАДКИ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЯ ЗЕМЛЯНОЙ ПЛОТИНЫ

Осадка плотины складывается из осадки тела плотины и осадки грунтов основания.

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. Величина этой осадки (см) определяется по формуле

, (4.1)

где, Т – толщина сжимаемого слоя в основании плотины, см;

ε1 – коэффициент пористости грунта основания плотины в естественном состоянии;

ε2 – коэффициент пористости грунта основания плотины после возведения насыпи.

, (4.2)

где, n – объем пор;

m – объем скелета в единице объема ненарушенного грунта.

Определить величину осадки грунта основания земляной плотины, если по результатам геологических изысканий в основании имеют место следующие грунты:

Грунты основания:

Почвенный слой γ1 = 1,60 т/м3 ; Т1 = 0,5 м

Суглинок γ2 = 1,90 т/м3 ; Т2 = 4,0 м

Песок γ3 = 1,88 т/м3 ; Т3 = 5,5 м

Мощность сжимаемого грунта основания Т1+ Т2+ Т3=0,5+4,0+5,5=10 м. Ниже грунт практически несжимаем.

Грунт тела плотины по заданию выполняется из суглинка с объемным весом γпл=1,89 т/м3.

Нпл = 17,5 м, Bгр = 12 м, m1 = 3, m2 = 2.

Рисунок 4.1 – Схема к расчету осадки основания

1 – граница распространения давления, передаваемого плотной; 2 – граница осевшей поверхности основания; 3 – площадь, учитываемая при определении объема земляных работ.

Определяем средневзвешенную плотность грунта основания

, (4.3)

, (4.4)

Находим средневзвешенный коэффициент пористости грунта основания плотины:

, (4.5)

Определяем напряжение в точке B на поверхности сжимаемого слоя основания:

, (4.6)

Определяется напряжение в середине сжимаемого слоя после воз- ведение плотины:

, (4.7)

Поперечный профиль плотины делим на три фигуры: левый треугольник; средняя часть прямоугольник; правый треугольник. Для расчета используем таблицы Цитовича.

Рисунок 4.2 – схема распределения нагрузки от насыпи

Для левого треугольника вычисляем отношения

Для правого треугольника вычисляем отношения

Для средней части профиля вычисляем отношения

Определяем напряжение в точке С (на границе сжимаемого слоя), обусловленные воздействием элементарных фигур

Напряжение от нагрузки левого треугольника:

Напряжение от нагрузки правого треугольника:

Напряжение от нагрузки средней части:

Полное напряжение в точке С определяется, как сумма отдельных трех нагрузок от левой, правой и центральной части.

В среднем в грунте основания под гребнем плотины напряжение с учетом первоначального напряжения P1

, (4.8)

По компрессионной кривой при P2 определяем средневзвешенный коэффициент пористости ε2.

, (4.9)

Величину полной осадки основания под гребнем плотины:

Вывод: Эта величина учитывается при строительстве плотины.

5. ВЫБОР ТИПА ВОДОСБРОСНОГО И ВОДОВЫПУСКНОГО СООРУЖЕНИЙ

5.1 Расчет трубчато-шахтного водосброса

Трубчато-шахтный водосброс состоит из входной части, напорных труб и устройства для гашения энергии потока в нижнем бьефе (рисунок 5.1).

Входная часть представляет собой неподтопленный водослив практического профиля большой ширины с подходом воды с со всех сторон. Если верх водослива находится на отметке нормального подпорного уровня воды, то он является водосбросом автоматического действия.

Рисунок 5.1 – Трубчато-шахтный водосброс

За водосливным порогом устраивают шахту, в нижней части которой размещаются входные отверстия труб.

Для водосброса обычно применяют железобетонные или асбестоцементные трубы. Трубы укладывают на подготовку из тощего бетона толщиной 0,2 ÷ 0,4 м. Чтобы предупредить возникновение сосредоточенной фильтрации, вокруг труб укладывают глину или глинобетон.

Гидравлический расчет сводится к определению ширины водослива, потерь напора в трубах и размеров водобойного колодца.

Ширину водослива, обеспечивающую нормальный режим работы сооружения, находят по формуле:

(5.1.1)

где σп – коэффициент подтопления, определяется по графику(принимаем σп = 0,9);

т – коэффициент расхода (принимаем m = 0,358);

p–напор на пороге водослива, м;

p = Zфпу - Zнпу = 14 – 13= 1,0м;

b == 35 м;

Имея общую ширину, устанавливаем ширину и 4 частей водослива. Ширина торцевой части должна быть равна или больше входного фронта трубы.

Рисунок 5.2 – Схема водослива шахтного водосброса

Задаваясь количеством труб и их размерами, определяют скорость. Допустимая скорость 7 – 10 м/с, если более то увеличиваем количество ниток труб.

, (5.1.2)

где w – площадь живого сечения потока в трубах, м2;

Q – расход через водосбросное сооружение, м3/с.

Принимаем в первом приближении одну трубу диаметром d = 2000 мм.

(5.1.3)

где ω тр – площадь живого сечения одной трубы, м2;

d – диаметр трубы, м.

Для определения количества труб вычисляем расход, проходящий через 1 трубу:

(5.1.4)

где Z – разница уровней воды в верхнем и нижнем бьефе, м

μ – коэффициент трения;

ω – площадь живого сечения трубы, м2.

Z = Zфпу – Zнбmax = 38 – 24 = 14 м;

Коэффициент трения рассчитываем по формуле:

μ = ; (5.1.5)

где – сумма местных потерь;

– потери по длине;

Сумма местных потерь:

(5.1.6)

где ξвх – коэффициент сопротивления при входе;

ξвых – коэффициент сопротивления при выходе;

Принимаем ;

;

Потери напора по длине трубы круглого поперечного сечения:

(5.1.7)

где λ – коэффициент сопротивления по длине в трубах для бетонных труб равен 0,02;

l – длина трубы, м;

d– диаметр трубы, м.

Полная потеря напора определяется по зависимости:

(5.1.8)

где ξвх – коэффициент сопротивления при входе;

ξвых – коэффициент сопротивления при выходе;

ξтр – коэффициент сопротивления на трение по длине труб.

Так как скорость превышает допустимые величины, увеличиваем количество ниток труб. На этом основании принимаем количество труб n=2. Значит площадь живого сечения увеличивается в n раз. Определим новую площадь живого сечения:

Определим расход через одну трубу:

Определяем скорость в одной трубе:

Определим потери напора через одну трубу:

Определим расход который может пропустить одна труба.

условие выполняется

Так как полные потери напора в трубах меньше напора, то сечение и количество труб достаточно для пропуска расчетного расхода. , условие выполняется.

5.2 Расчёт сопряжения нижнего бьефа.

Крепление нижнего бьефа – это совокупность сооружений для обеспечения безопасного и надёжного отвода сбрасываемого потока в русло реки.

Бытовая глубина составляет:

hб = УВНБmax- Zосн = 24 - 21 = 3,00 м;

При условии что hб > h” гасители энергии не требуются.

Площадь русла:

(5.2.1)

где – расход через водосбросное сооружение, м3/с;

– допустимая скорость на выходе, равная 0,7 м/с.

Определяем первую сопряженную глубину:

Коэффициент сжатия ε_сж зависит от диаметра трубы и глубины воды в нижнем бьефе принимаем равным 0,69.

(5.2.2)

где – сжатая глубина, м;

– коэффициент сжатия;

d – диаметр трубы, м.

Определяем критическую глубину:

(5.2.3)

где α – скоростной коэффициент, равный 1,1;

Q – расход через водосбросное сооружение, м3/с;

B – ширина выходного оголовка, принимаем равной 6,8 м.

Определяем вторую сопряжённую глубину h”:

(5.2.4)

где – сжатая глубина, м;

– критическая глубина, м.

Так как hб = 3,0 м> h” = 2,76 м, то прыжок затоплен, гасителей не требуется.

Определим длину гидравлического прыжка

(5.2.5)

где – вторая сопряженная глубина, м;

– первая сопряженная глубина, м.

Длину водобоя принимаем равной длине гидравлического прыжка.

Определяем удельный расход:

Определяем общую длину рисбермы

(5.2.6)

Участок крепления будет составлять:

Lкр= Lрисб +Lводоб=13,91+9,67=23,58м.

Скорости воды в отводящем канале должны быть меньше не размывающих. Допустимая скорость 0,7 м/с. Проверяем параметры канала.

Принимаем ширину по дну равную 12,9 м, заложение откосов 1:1, глубина в отводящем канале 3,0 м, тогда площадь сечения канала будет равна:

ω=( b+mh )h=(12,9+1•3,0) • 3,0 = 47,7 м2

Тогда скорость течения в отводящем канале будет равна:

V=Q/ω=50/47,7=1,04 м/с > V=0,70 м/с

Так как скорость превышает допустимую, требуется крепление дна и откосов канала бетонными плитами.

Рисунок 5.2.1 – План-схема сопряжения концевого лотка с отводящим каналом