Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Выбор створа и описание компоновки сооружений гидроузла

Проектируемый гидроузел с плотиной из грунтовых материалов служит для решения комплекса водохозяйственных задач, в частности это:

- создание водохранилища, в котором происходит аккумулирование избыточных расходов реки, например, в период паводков, что способствует снижению ущерба от наводнений в нижнем бьефе гидроузла;

- осуществление полезных попусков воды в русло реки, обеспечивающих создание живого тока воды в меженный период и улучшающих водообеспечение прилегающих территорий;

- подача воды потребителю (водоснабжение и обводнение, гидротехнические мелиорации и т.д.);

- создание зон рекреации;

- развитие рыбного хозяйства и т.д.

Компоновка гидроузла включает в себя выбор створа плотины, трасс и месторасположения водопропускных сооружений. Она должна быть наиболее простой и удобной для возведения и эксплуатации гидроузла при минимальных затратах.

Выбор створа гидроузла обычно осуществляется на основе технико-экономического сравнения нескольких вариантов компоновки в зависимости от рельефа и других условий района строительства. При выборе створа плотины учитываются многочисленные факторы, в числе которых определяющими являются: топографические характеристики речной долины и ложа водохранилища, инженерно-геологические и гидрологические условия, местоположение и объем карьеров строительных материалов, технология строительства плотины, а также возможность рационального размещения постоянных и временных водопропускных сооружений.

В курсовом проекте принимается, что инженерно-геологические и гидрологические характеристики в любом сечении долины реки не изменяются (характерное сечение долины реки представлено в п. 4 задания на проектирование, где дано геологическое строение долины с цифровыми обозначениями грунтов, номерам которых соответствуют грунты, характеристики и гранулометрический состав которых также приведены в задании на проектирование).

В данном проекте створ плотины выбираем в самом узком месте речной долины, что обеспечит минимальный объем насыпи грунтовой плотины и, соответственно, меньшую стоимость плотины, с учетом рационального размещения водопропускных сооружений гидроузла.

2. Проектирование плотины из грунтовых материалов

2.1 Выбор типа плотины

Выбор типа плотины в проектной практике осуществляется в соответствии с требованиями СНиП 2.06.05.84* на основании технико-экономического сравнения вариантов различных конструкций или типов плотин.

Классификация плотин:

1) из грунтовых материалов.

2) бетонные и железобетонные.

3) комбинированные.

4) деревянные.

5) из полимерных материалов.

Из анализа геологического разреза по створу плотины (рисунок 2) видно, что дно плотины подстилает суглинок, по правому и левому берегам реки расположен песок средней крупности. Эти грунты можно использовать для строительства плотины. Кроме того, это выгодно с экономической точки зрения, так как они являются местными строительными материалами. Исходя из этих данных, рассматриваем несколько вариантов конструкции плотин:

Предлагаемые типы грунтовых плотин

а) однородная плотина из супеси;

б) неоднородная плотина с ядром из суглинка моренного;

в) неоднородная плотина с экраном из суглинка моренного;

Выбор типа плотины производится в соответствии с:

* действующим напором,

* топографическими и геологическими условиями,

* условиями компоновки гидроузла,

* условия строительства и пропуска строительных расходов.

Конструктивная схема должна обеспечивать:

* устойчивость плотины на сдвиг при сохранении прочности основания и общей прочности плотины при всех расчетных случаях;

* благоприятный режим сопряжения бьефов - отсутствие размывов и сбойных течений;

* приемлемое противофильтрационное давление достаточную фильтрационную прочность основания;

* применение современных средств механизации и современные технологии.

В нашем курсовом проекте считаем, что долина реки сложена нескальными грунтами, т.е. исключается возможность возведения каменно-земляных и каменно-насыпных плотин из-за относительно большой сжимаемости основания и отсутствия каменных материалов в количестве, необходимом для возведения основных частей тела плотины; плотина возводится методом послойной отсыпки грунта насухо с уплотнением.

В п. 6 задания на проектирование указаны типы имеющихся карьерных грунтов, местоположение карьеров и дальность транспортировки грунтов для укладки их в тело плотины. В нашем случае дана супесь.

Отдаём предпочтение однородной грунтовой плотине из супеси, так как однородные плотины более просты с точки зрения производства работ. Так же супесь, как строительный материал, в меньшей степени подвержена негативному влиянию неблагоприятных погодных условий.

2.2 Проектирование гребня плотины

Гребень плотины конструируется исходя из условия производства работ и эксплуатации плотины. Прежде всего, необходимо обеспечить проезд транспорта и сельскохозяйственной техники. Обычно на гребне плотины устраивают автомобильную или железную дорогу.

Ширина гребня устанавливается в зависимости от категории прокладываемой по гребню дороги (категория дороги не зависит от класса плотины) в соответствии с таблицей 1. При отсутствии необходимости проезда минимальная ширина гребня должна быть не менее 4,5 м.

Таблица 1

Категория дороги	Ширина, м
	проезжей части	обочин	гребня
II	7,5	3,75	15
III	7	2,5	12
IV	6	2	10
V	4,5	1,75	8

Принимаю дорогу IV категории.

2.2.1 Расчет отметки гребня плотины

Расчет отметки гребня плотины выполняется в соответствии со Строительными нормами и правилами СНиП 2.06.05-84* «Плотины из грунтовых материалов» для расчетного уровня воды в верхнем бьефе водоема ФПУ.

Отметка гребня плотины в расчетном створе будет определяться по формуле:

где - высота ветрового нагона воды, м;

- высота наката ветровых волн обеспеченностью 1%, м;

а - конструктивный запас гребня, м.

где: ФПУ - форсированный подпорный уровень водохранилища, при котором осуществляется пропуск поверочного расхода паводкового водосброса; отметка ФПУ приведена в колонке 2 таблицы пункта №5 бланка задания на проектирование;

В конечном итоге принимаем . В данном курсовом проекте принимаем

= ФПУ + 1 м

Согласно исходным данным (п. 5 задания на проектирование), ФПУ - 108 м.

Таким образом,

Высота плотины устанавливается по формуле:

2.3 Выбор заложения откосов плотины

Коэффициент заложения - это котангенс угла наклона откоса к горизонту, зависит в основном от: типа грунтов, формирующих верховую и низовую части плотины; типа грунта основания; высоты плотины. Первоначально коэффициент заложения откосов назначается на основании опыта безаварийной работы различных типов плотин соответствующей высоты с характеристиками грунтов, аналогичных принятому для дальнейшего проектирования варианту плотины. Далее правильность предварительно принятых значений заложений откосов плотин проверяется расчетами устойчивости откосов.

Назначаем заложение откосов: верховой откос и нижний откосы выполняем с заложением 1:2,5

На низовом откосе предусматриваем устройство бермы шириной = 3,5, которая служит для сбора и отвода дождевых и талых потоков, предохраняя тем самым откос от размыва, а также для обеспечения возможности осмотра плотины.

Сброс воды осуществляется по таким же лоткам, по низовому откосу в нижний бьеф.

2.4 Выбор типа крепления откосов

Для защиты верхового откоса от волнового воздействия предусматривается устройство крепления. Тип крепления обычно устанавливается на основе технико-экономического сравнения вариантов при условии максимального использования средств механизации и местных материалов, учёта характера грунта тела плотины, агрессивности воды, долговечности крепления в период эксплуатации, архитектурных требований. К наиболее часто применяемым креплениям напорных откосов грунтовых плотин относятся крепления:

* каменные (насыпные) (при m_h>2,5….3);

* бетонные монолитные, железобетонные монолитные или сборные с обычной или предварительно напряженной арматурой (при <2,5…3 м) с обычной или предварительно напряженной арматурой;

* асфальтобетонные (<3 м);

* биологические (при Н_пл < 7 м, <0,7 м).

2.4.1 Выбор типа крепления низового откоса

Роль крепления низового откоса в пределах волновых воздействий нижнего бьефа обычно выполняют дренажная призма из крупнообломочных грунтов или наслонный дренаж.

Остальная часть откоса защищается от атмосферных воздействий (в частности, от размыва дождевыми водами) посевом многолетних трав по слою растительного грунта толщиной не менее 0,1…0,2 м. Для того, чтобы избежать смыва растительного слоя до формирования развитой корневой системы возможно применения залужения в дерновых клетках. В отдельных случаях применяется сплошная одерновка и другие типы облегчённых креплений.

Предусматриваем крепление низового откоса залужением в дерновых клетках.

2.4.2 Выбор типа крепления верхового откоса

Для защиты верхового откоса от волнового воздействия предусматривается устройство крепления. Тип крепления обычно устанавливается на основе технико-экономического сравнения вариантов при условии максимального использования средств механизации местных материалов, учета характера грунта тела плотины, агрессивности воды, долговечности крепления в период эксплуатации, архитектурных требований.

2.5 Проектирование и назначение дренажа

Дренаж - это элемент плотины, состоящий из хорошо проницаемых материалов и предназначенный для:

организованного сбора и отвода профильтровавшейся воды;

предотвращения выхода фильтрационного потока на низовой откос и в зону, подверженную промерзанию;

понижения депрессионной поверхности с целью повышения устойчивости низового откоса;

повышения устойчивости верхового откоса при быстрой сработке водохранилища, а также для уменьшения или снятия парового давления, возникающего при сейсмических воздействиях, отвода воды, профильтровавшейся через экран, ядро.

Основные конструкции дренажей:

наслонный;

дренажная призма (банкет);

комбинированный;

плоский горизонтальный;

ленточный;

трубчатый горизонтальный;

трубчатый вертикальный.

Дренажная призма широко применяется в грунтовых плотинах благодаря простоте конструкции; работе при любых переменных уровнях воды в НБ; использованию как перемычки при пропуске строительного расхода. Недостаток - требуется относительно большой объём крупного камня.

В данном курсовом проекте выполняем дренаж в виде дренажной призмы. Отметка верха дренажной призмы () должна превышать максимальный уровень нижнего бьефа на величину а = 0,5… 1,0 м. Обычно высота дренажной призмы составляет от высоты плотины. Ширина дренажной призмы поверху зависит от условий производства работ и должна быть не менее 3…4 м. Коэффициент заложения внешнего откоса дренажной призмы , а внутреннего . Толщина и количество слоев обратного фильтра со стороны тела плотины и основания зависит от вида защищаемого грунта и характеристик материала призмы.

Определяем отметку верха дренажа:

.

2.6 Проектирование обратных фильтров

Обратные фильтры - грунты определенного гранулометрического состава, укладываемые по мере возрастания крупности по направлению движения фильтрационного потока.

Назначение обратного фильтра:

1. Исключение фильтрационных деформаций на контакте разнородных грунтов в месте выхода фильтрационного потока.

Виды фильтрационных деформаций:

- суффозия (химическая, физическая);

- контактный выпор, возникает на контакте двух разнородных грунтов, когда фильтрационный поток перпендикулярен границе грунтов;

- контактный размыв, возникает на контакте двух разнородных грунтов, когда фильтрационный поток параллелен границе грунтов;

- отслаивание в связном грунте, возникает в связном грунте, когда мелкие его частицы слипаются.

2. Играют роль переходной зоны при устройстве грунтовых или искусственных ПФУ.

3. Необходимы для заделки возможных трещин в глинистых ПФУ.

Обратные фильтры располагают на контакте дренажа с дренируемым телом плотины, с основанием, на контакте тела плотины с креплением верхового откоса каменной наброской и иногда на контакте ПФУ и боковых призм.

Для обратного фильтра используют имеющиеся карьерные грунты или искусственные материалы. Их подбирают из условия обеспечения фильтрационной прочности сопрягающих грунтов в месте контакта. Если естественный карьерный грунт оказывается непригодным, то проводят его обогащение или отсев крупных фракций.

Коэффициент неоднородности материалов обратных фильтров дренажей должен иметь следующие значения:

1 если з < 10 - грунт несуффозионный (допустим в качестве обратного фильтра),

если з = 10…20 - грунт полусуффозионный (допустим в качестве обратного фильтра при определенных условиях),

если з > 20 - грунт суффозионный (не допустим в качестве обратного фильтра).

При расчете однослойного или первого слоя многослойного обратного фильтра используют следующие обозначения:

D₅₀ - размер фракций тела дренажа, масса которых вместе с массой более мелких фракций составляет 50% массы всего грунта;

d₅₀ - средний размер фракций I слоя обратного фильтра;

D₆₀ - размер фракций тела дренажа, масса которых вместе с массой более мелких фракций составляет 60% массы всего грунта;

D₁₀ - размер фракций тела дренажа, масса которых вместе с массой более мелких фракций составляет 10% массы всего грунта;

- коэффициент неоднородности защищаемого грунта;

- коэффициент неоднородности первого слоя обратного фильтра;

- межслойный коэффициент.

Зерновой состав фильтра должен исключать проникание (просыпаемость) защищаемого грунта в поры фильтра, выпор и вдавливание частиц грунта в поры фильтра, размыв защищаемого грунта на границе с фильтром, отслаивание глинистого грунта на контакте с материалом фильтра, а также суффозию фильтра. В зависимости от типа плотины, а также грунтов ее тела и основания подбор первого слоя обратного фильтра выполняют исходя из различных условий.

При подборе фильтров возможны два случая:

первый - известны параметры карьерного грунта и заданы кривые гранулометрического состава, расчетом устанавливают применимость этих грунтов для фильтра;

второй - данные гранулометрического состава отсутствуют, кривые их определяют из условия отсутствия фильтрационных деформаций.

Обратные фильтры можно подобрать по графикам, разработанным В.С. Истоминой.

Принцип их построения основан на разделении поля графика на две области - допускаемых (ниже кривой) и недопускаемых (выше кривой) характеристик. По осям графиков откладывают характеристики грунтов; если они пересекаются в области допускаемых значений, грунт можно использовать для фильтра, если же они пересекаются в области недопускаемых значений, то грунт нельзя использовать для фильтра.

Подбор зернового состава второго и последующих слоев многослойного фильтра ведут по тем же графическим зависимостям полагая, что через d_i и D_i соответственно обозначены размеры фракций предыдущего и последующего слоев фильтра. Толщину слоев обратного фильтра назначают с учетом производства работ и технико-экономических расчетов. По фильтрационным условиям толщина каждого слоя должна быть не менее 3D₈₅, но не меньше 0,2 м при отсыпке насухо и 0,5 м при отсыпке в воду.

2.7 Построение поперечных разрезов плотины

После выбора конструкций основных элементов плотины необходимо выполнить построение поперечных разрезов плотины в русловой и береговой частях створа.

Поперечный разрез плотины в русловой ее части выполнен на миллиметровке в масштабе 1:200 (рис. 5). На поперечный разрез плотины нанесены все основные элементы плотины в соответствии с назначенными или определенными размерами.

2.8 Расчёт фильтрации в теле и основании плотины

В ходе фильтрационных расчетов должны быть установлены: положение кривой депрессии; удельный фильтрационный расход через тело плотины и основание; суммарные фильтрационные потери через тело плотины, основания и берега; градиенты напора фильтрационного потока в теле плотины, основании, в местах выхода фильтрационного потока в дренаж, а также в местах контактов грунтов с различными характеристиками.

Для расчета кривой депрессии при наличии воды в нижнем бьефе, т.е.при воспользуемся уравнением:

где: -глубина воды перед плотиной при НПУ()

х - текущая координата

-расчетная длина, определяемая по выражению:

где:

- коэффициент, принимаемый равным 0,3…0,4

- длина захода кривой депрессии в дренаж, определяемая по выражению:

L dr = 0.05*7.4=0.37

- длина, определяемая по чертежу на миллиметровке; эта длина отсчитывается от уреза воды при НПУ до начала пересечения уровня воды нижнего бьефа с внутренним откосом дренажной призмы.

Для построения кривой депрессии задаемся значениями x в пределах от 0 до , а полученные значения ординат заносим в таблицу.

Таблица для построения кривой депрессии

x	0	2	4	6	8	10	12	16	20	28,88
y	0	1.9	2.8	3.4	3.9	4.4	4.8	5.5	6.2	7.4

2.9 Определение фильтрационных потерь через тело плотины

Фильтрационный расход через тело плотины определяется по формуле Дюпюи:

- коэффициент фильтрации грунта тела плотины (принимается в соответствии с колонкой 8 таблицы задания на проектирование),

- глубина воды со стороны нижнего бьефа,

3. Проектирование водосброса

При грунтовых плотинах для пропуска расходов половодья и дождевых паводков во избежание переполнения водохранилища, для пропуска льда, шуги, мусора из верхнего бьефа в нижний устраивают водосбросные сооружения. Выбор типа водосброса и его трассы обычно выполняется на основании технико-экономического сравнения различных вариантов.

Работа по проектированию водосбросного тракта в курсовом проекте начинается с выбора трассы водосброса на генплане гидроузла, после того как плотина в принципе запроектирована.

До начала проектирования водосброса необходимо вписать плотину из грунтовых материалов в местность.

3.1 Выбор типа водосброса

При разработке курсового проекта выбор типа водосброса и его трассы производится на основании сравнения достоинств и недостатков различных вариантов водосброса с учётом исходных данных: расчётного максимального и строительного расходов, возможной форсировки уровня водохранилища, топографических, геологических условий, а так же высоты и типа плотины.

Классификация водосбросов.

По расположению в узле сооружений: водосбросы в теле плотины; водосбросы береговые (вне тела плотины)

По типу оборудования водосливной части: регулируемые; нерегулируемые (автоматические)

3. По конструктивному оформлению: трубчатые; береговые; открытые; сифонные; траншейные; шахтные; туннельные

В данном курсовом проекте в качестве водосброса принимаем быстроток с регулятором с затворами.

3.2 Выбор и назначение трассы берегового открытого водосброса

В данном курсовом проекте в состав конструкции водосброса входят:

1. регулятор с затворами

2. быстроток

3. водобойный колодец

4. подводящий канал

При выборе и назначении трассы берегового открытого водосброса необходимо учитывать особенности рельефа местности, а также характер грунтов, залегающих на трассе. Грунты из выемок водосбросных сооружений рекомендуется по возможности укладывать в тело плотины. Обычно выемки грунта на верхнем участке трассы используются в качестве резерва для насыпи плотины. Трассу водосброса следует проектировать таким образом, чтобы основанием его элементов служили достаточно прочные коренные грунты. При прохождении трассы на пучинистых грунтах для обеспечения устойчивости элементов водосбросного сооружения при воздействии сил морозного пучения необходимо принимать дополнительные меры, обеспечивающие надежную работу водосброса, но удорожающие его строительство. Размещение элементов водосброса на насыпных грунтах не рекомендуется.

С точки зрения планового размещения трассы должны соблюдаться следующие критерии:

1. Наименьшая протяжённость.

2. Как правило, отсутствие или, в случаях крайней необходимости, наличие минимального количества поворотов.

3. Расстояние между концевой частью водосброса и подошвой низового откоса плотины не должно быть менее 20…40 м.

Выходящий из водосброса поток должен сопрягаться под возможно более острым углом с осью русла реки.

Трасса водосброса должна проходить перпендикулярно преимущественному направлению горизонталей берегового склона в нижнем бьефе. При прохождении трассы водосброса по косогору ширину водосброса необходимо делать минимально возможной.

Желательно, особенно для регулируемого водосброса, чтобы ось дороги по гребню грунтовой плотины была перпендикулярна оси водосбросного тракта.

7. Трасса водосброса не должна пересекать формы рельефа с проявлением эрозионных явлений (балки, овраги) и участки с оползнями, а проходить вблизи их. Иногда для уменьшения длины водосброса можно смотреть сброс воды в существующие лощины, балки или овраги.

3.3 Гидравлический расчёт водосбросного сооружения

Расход паводкового водосброса, проходящего через регулятор, равен

,

Где:

Q - максимальный расход

- коэффициент бокового сжатия

В первом приближении можно принять =0,95-0,96

m - коэффициент расхода, для водосброса с широким порогом m= 0,35-0,36

b - ширина водосливного фронта

-напор на водосливе

В курсовом проекте

-скорость подхода в подводящем канале.

Задаемся =1,5; 1,8; 2,0; 2,5 м и определим b

Назначение основных размеров регулятора быстротока. Определение отметки порога регулятора.

В данном курсовом проекте принимаем регулятор с 2 умя пролетами по 1.5 м.

С =tб/2=1,25

3.4 Расчет быстротока

Определение критической глубины потока на быстротоке:

Так как быстроток всегда трассируется с уклоном, превышающим критический (), то в начале быстротока (точка А) устанавливается критическая глубина потока (), которая для прямоугольного русла определяется по зависимости:

где: - коэффициент, учитывающий распределение скоростей по сечению (коэффициент Кориолиса),

;

- удельный расход на быстротоке,

- угол наклона к горизонту лотка быстротока (при уклонах менее 0,15 углом наклона к горизонту лотка быстротока можно пренебречь и принять )

- ширина быстротока, принимаемая обычно равной ширине регулятора

В итоге получаем, что критическая глубина

Определение нормальной глубины потока на быстротоке:



3.5 Расчет водобойного колодца

Концевой участок рассматриваемого типа водосброса состоит, в общем случае, из водобойной части (водобойного колодца, гладкого водобоя или водобоя с гасителями энергии), рисбермы и концевой части крепления. Рассмотрим сопряжение бьефов с использованием водобойного колодца.

Высота стенки падения определяется:

Длина отлета центральной струи при наличии стенки падения определяется по формуле:

,

где: -скорость в конце быстротока

-глубина потока в конце быстротока, принимаемая в курсовом проекте равной нормальной глубине потока на быстротоке, т. е

Первая сопряженная глубина h' принимается:

Вторая сопряженная глубина в не расширяющемся водобойном колодце определяется по формуле:

-удельный расход в сжатом сечении

Длина водобойного колодца с учетом длины отлёта определяется по выражению:

Длина прыжка, определяемая по формуле Павловского Н.Н:

Конструктивно принимает длину колодца равной 12,3 м.

4. Проектирование водоспуска

Водоспуски используют для постоянных полезных попусков из водохранилища в нижний бьеф, диктуемых водохозяйственными и санитарными требованиями; для полного или частичного опорожнения водохранилища в заданный срок в целях ремонта сооружений, расположенных в верхнем бьефе; для частичного промыва наносов, отложившихся перед сооружением. Входное отверстие водоспуска располагают на отметках, обеспечивающих возможность сработки водохранилища до заданного уровня, т.е. на дне русловой части.

,

где Q - расход полезных попусков, Q- 1 м³/с;

- коэффициент расхода водоспуска, принимаем 0,57;

щ - площадь поперечного сечения трубы;

z - напор,

Из этого уравнения определяем площадь поперечного сечения и диаметр трубы:

В курсовом проекте будем проектировать безбашенный донный водовыпуск.

4.1 Выбор места расположения и конструктивной схемы сооружения

Донный водовыпуск в плане трассируется таким образом, чтобы его строительство могло быть осуществлено, по возможности, без отсыпки ограждающих перемычек. Поэтому его трасса намечается вне русла на незначительном расстоянии от берега реки, по возможности, перпендикулярно створу плотины. Для трассирования водовыпуска предпочтительным является выпуклый берег реки в пределах створа.

5. Пропуск строительных расходов

Одним из способов пропуска строительных расходов при небольших расходах, строительный расход можно пропускать через водоспуск.

Гидрологи дают нам обеспеченность расхода

При сравнительно небольшом объеме земляных и бетонных работ можно построить гидроузел примерно в течение года.

Этапы организации пропуска строительных расходов:

1. наносится уровень воды в реке при строительного расхода.

2. отрывается траншея для укладки в нее в дальнейшем трубы водоспуска (но если труба водоспуска не может пропустить строительный расход, то в эту траншею укладывают трубу большего диаметра, которая получит расчет).

3. в траншею укладываем трубу водоспуска. В это время река продолжает течь по руслу реки.

4. отрываем подводящий и отводящий каналы от водоспуска. В это время вода течет по руслу и по водоспуску.

5. отсыпается верховая перемычка.

6. отсыпаем низовую перемычку. Часто в качестве низовой перемычки используется дренажная призма.

7. откачивается вода из котлована между перемычками.

8. возводится русловая часть плотины.

Литература

плотина гидроузел разрез фильтрация

1. «Гидротехнические сооружения», т. 1, Г.М. Каганов, И.С. Румянцев. Москва: «Энергоатомиздат», 1994.

2. «Проектирование сооружений гидроузла с грунтовой плотиной», В.И. Волков, А.Г. Журавлева, О.Н. Черных. Москва, 2007.

Размещено на Allbest.ru