Гидроузел с высокой бетонной плотиной

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Гидротехнические сооружения»

Курсовой проект

на тему

«Гидроузел с высокой бетонной плотиной»

Выполнил студент

(ИГЭС 6 - 10) Панкратов Е.А.

Консультант Толстиков В.В.

г. Москва

2016 г.



Оглавление

1. Расчет арок многоарочных плотин

2. Расчет контрфорсной плотины на сдвиг

3. Расчет НДС в теле контрфорсной плотины

4. Устойчивость контрфорса при сейсмическом воздействии

5. Гидравлические расчеты

Список используемой литературы



1. Расчет арок многоарочных плотин

плотина контрфорсный сейсмический бетонный

Для многоарочных плотин, арки которых являются «тонкими» (r0/a ? 3…5), вполне допустим расчет обычным приближенным методом строительной механики на действие следующих нагрузок:

- Давление воды на напорную грань (равномерное и неравномерное);

- Изменение температуры (равномерное и неравномерное);

- Собственный вес арки;

- Давление наносов на напорную грань (равномерное и неравномерное);

При подборе поперечных сечений бетона и арматуры арки ее расчет следует производить не только из условия надежности против разрушения, но и из условия отсутствия образований в ней трещин или ограничения их раскрытия.

Схемы к расчету круговой тонкой арки постоянной толщины с жестко заделанными пятами на симметричную нагрузку. Слева - общая схема, справа - основная система при равномерном давлении воды.

- момент и нормальная сила в основной статически определимой системе;

- половина центрального угла арки;

- половина пролета арки;

- радиус оси арки;

- толщина арки;

- ордината данной точки оси арки;

- угол, определяющий положение любого сечения арки;

- отношение толщины арки к половине ее пролета;

- координаты упругого центра арки.

Для расчета напряжений в сечениях арки принимаем следующие исходные данные:

.

Воздействие равномерного давления воды.

При равномерном давлении воды интенсивностью и основной статически определимой системе и , где - радиус наружной поверхности арки.

Распор в упругом центре арки:

, где:

- глубина до расчетного сечения;

;

;

Момент в распоре , а значения момента и продольной силы в разных сечениях определяются по следующим формулам:

;

;

Для пяты ( и ):

;

;

Для ключа ( и ):

;

.

Напряжения определяются по следующей формуле:

Воздействие неравномерного давления воды.



Для неравномерного давления воды момент и продольная сила в статически определимой системе определяются следующим образом:

;

;

В статически неопределимой системе:

, где:

;

, где:

;

.

Напряжения в сечениях определяются так же, как в предыдущем пункте.

Воздействие измененяющейся температуры.

Для тонких арок можно принять эпюру изменения температуры по толщине арки линейной. Ее разбивают на равномерную и неравномерную. Напряжения определяются раздельно от каждой из этих эпюр и затем суммируют.



При равномерном изменении температуры арки на в упругом центре возникает лишь распор , который определяется по формуле:

, где:

- модуль упругости бетона арки класса В25;

- коэффициент температурного расширения бетона;

Значение считается положительным при повышении температуры и отрицательным при ее понижении.

При неравномерном изменении температуры арки напряжения в крайних волокнах определяются по закону Гука следующим образом:

;

На грани с большей температурой напряжения будут сжимающими, на другой грани - растягивающими. Во всех сечениях арки при принятых допущениях напряжения от неравномерного изменения температуры одинаковы.

Собственный вес арки.

При определении напряжений от собственного веса арки учитывают лишь составляющую его, нормальную к образующей свода. Как и при других нагрузках рассматривают арочное кольцо толщиной 1 м вдоль образующей свода. Моменты и продольные силы определяются следующим образом:

;

, где:

- удельный вес бетона;

;

, где:

;

.

Для любого сечения:

;

;

Равномерное давление наносов.

Расчет арки на равномерное давление наносов производится аналогично тому, что был представлен в первом пункте. Особенностью этого расчета является то, что равномерное давление наносов оказывает влияние на напряжения в нижней части конструкции от дна до УЗВ.

и

Распор в упругом центре арки:

, где:

- глубина наносов до расчетного сечения;

- удельный вес наносов в воде;

- коэффициент бокового давления наносов;

- угол внутреннего трения наносов;

Момент в распоре , а значения момента и продольной силы в разных сечениях определяются по следующим формулам:

;

;

Неравномерное давление наносов.

Расчет арки на неравномерное давление наносов производится аналогично тому, что был представлен во втором пункте.



;

;

В статически неопределимой системе:

;

.

Расчет.

Расчет проводится по формулам из предыдущих пунктов. Результаты расчета удобно представить в табличной форме:

Таблица 1 - Для :

Таблица нагрузок, МПа
Вид нагрузки	в пяте	в ключе
	напорная грань	низовая грань	напорная грань	низовая грань
Равномерное давление воды	1,14	10,22	7,80	2,61
Неравномерное давление воды	-0,43	0,69	-0,04	0,24
Общее давление воды	0,70	10,91	7,76	2,85
Равномерное повышение температуры	3,36	-3,36	-1,57	2,27
Равномерное понижение температуры	-0,24	0,24	0,11	-0,16
Нагревание напорной грани (зима)	0,90	-0,90	0,90	-0,90
Нагревание низовой грани (лето)	-3,00	3,00	-3,00	3,00
Собственный вес арки	1,00	0,26	0,64	-0,18
Давление наносов равномерное	1,87	0,21	0,48	1,43
Давление наносов неравномерное	-0,38	0,61	-0,03	0,21
Давление наносов общее	1,49	0,82	0,44	1,64
Суммарные значения напряжений без учета температуры	3,20	11,98	8,84	4,30
Суммарные значения напряжений летом	3,55	11,63	4,27	9,57
Суммарные значения напряжений зимой	3,86	11,32	9,85	3,24

*Примечание: значения напряжений в этой и следующих таблицах со знаком «+» являются сжимающими, а со знаком «-» - растягивающими.

По максимальным сжимающим напряжениям, возникающим в пяте на низовой (безнапорной) грани летом, подбираем бетон класса В25 с пределом прочности на сжатие . По мере уменьшения глубины значения напряжений в арке уменьшаются, поэтому толщину арки и марку бетона можно постепенно уменьшать до 3 метров и В10 соответственно. При этом напряженное состояние в арке будет следующим:

Таблица 2 - Для :

Таблица нагрузок, МПа
Вид нагрузки	в пяте	в ключе
	напорная грань	низовая грань	напорная грань	низовая грань
Равномерное давление воды	0,00	0,00	0,00	0,00
Неравномерное давление воды	-3,94	4,60	-1,26	1,81
Общее давление воды	-3,94	4,60	-1,26	1,81
Равномерное повышение температуры	1,84	-1,84	-0,99	1,11
Равномерное понижение температуры	0,15	-0,15	-0,08	0,09
Нагревание напорной грани (зима)	0,00	0,00	0,00	0,00
Нагревание низовой грани (лето)	0,00	0,00	0,00	0,00
Собственный вес арки	2,74	-1,48	1,13	-0,62
Давление наносов равномерное	0,00	0,00	0,00	0,00
Давление наносов неравномерное	0,00	0,00	0,00	0,00
Давление наносов общее	0,00	0,00	0,00	0,00
Суммарные значения напряжений без учета температуры	-1,20	3,12	-0,13	1,19
Суммарные значения напряжений летом	0,63	1,29	-1,12	2,30
Суммарные значения напряжений зимой	-1,05	2,97	-0,21	1,28

На малых глубинах на напорной грани возникают растягивающие напряжения из-за неравномерного давления воды и воздействия температур, из чего следует, что необходим подбор арматуры.

Расчет арматуры на напорной грани.

Наибольшие растягивающие напряжения возникают в ключе летом и равны Арматура подбирается для внецентренно сжатого прямоугольного железобетонного сечения. Принимаем класс бетона В10 с , толщину защитного слоя 5 см, рабочую проволочную арматуру ВР-II с (для ).

Для определения суммарных усилий в расчетном сечении М и N необходимо сложить М и N от отдельных воздействий, которые определяются по формулам из предыдущих пунктов:

Эксцентриситет определяется по следующей формуле:

Для определения сжатой зоны бетона необходимо составить уравнение равновесия моментов относительно растянутой арматуры:

, где:

- рабочая высота сечения;

- плечо для N.

- относительная высота сжатой зоны;

- граничная высота сжатой зоны

;

- условие выполняется.

Требуемая площадь сечения арматуры:

С учетом сейсмической нагрузки увеличиваем требуемую площадь арматуры на 25% . По сортаменту подбираем арматуру А500 с шагом 0,3м (4 стержня на 1 метр) и суммарной площадью поперечного сечения , что больше требуемой. Нерабочую арматуру принимаем такую же с таким же шагом.

2. Расчет контрфорсной плотины на сдвиг

Расчет на сдвиг проводится для одного контрфорса со сбором нагрузок на два полупролета. К сдвигающим нагрузкам относятся: боковое давление воды водохранилища на плотину, давление наносов и фильтрационное давление воды, действующее на подошву арки. К удерживающим силам относят: пригрузка воды верхнего и нижнего бьефов на наклоненные арочные своды плотины, пригрузка наносов, собственный вес арок и контрфорса, а также горизонтальное давление воды со стороны нижнего бьефа.

Расчетная схема

Исходные данные

- угол наклона напорной грани;

- - угол наклона безнапорной грани контрфорса;

- толщина арки в основании в сечении, нормальном к образующей арки;

- толщина арки в месте сопряжения с основанием;

- толщина арки на отметке м в сечении, нормальном к образующей арки;

- толщина арки на отметке м;

- наружный радиус арки в основании;

- наружный радиус арки в месте сопряжения с основанием;

Расчет величин действующих нагрузок

Ширина контрфорса в основании:

Площадь основания контрфорса:

Горизонтальное давление воды со стороны ВБ на напорную грань:

Пригрузка воды на напорную грань:

Горизонтальное давление наносов на напорную грань:

Пригрузка наносов на напорную грань:



Горизонтальное давление воды со стороны НБ:

Вертикальное давление воды со стороны НБ на низовую грань контрфорса:

Противодаление воды под напорной гранью плотины:

Фильтрационное давление на подошву арки:

Собственный вес арки:

Собственный вес контрфорса:



Расчет устойчивости на сдвиг

Коэффициент устойчивости:

3. Расчет НДС в теле контрфорсной плотины

Расчет напряжений в контрфорсе ведется элементарным методом, при этом принимается линейный закон распределения нормальных напряжений . При расчете принимается расчетное сечение из предыдущей главы, при этом определяют нормальные напряжения в расчетном сечении и находят значение напряжений в сечении сопряжения арок с контрфорсами. Далее принимается, что арочное перекрытие вследствие его гибкости не участвует в восприятии напряжений и .

Геометрические характеристики сечения

Площадь прямоугольника:

;

Площадь арок:

;

Расстояние от середины прямоугольного сечения до центра тяжести арок:

Расстояние от середины прямоугольного сечения до центра тяжести всего сечения:

Расчет моментов относительно центра тяжести контактного сечения

Нагрузки	Сила, МН	Плечо, м	Момент, МН*м
Горизонтальное давление воды ВБ, W1	10962,38	64,33	705246,49
Вертикальное давление воды ВБ, W2	9870,57	46,43	-458268,88
Горизонтальное давление наносов, W3	416,14	13,33	5548,56
Вертикальное давление воды, W4	466,38	92,35	-43069,49
Горизонтальное давление воды НБ, W5	10,59	2,00	-21,19
Вертикальное давление воды НБ, W6	0,95	137,74	130,34
Противодавление воды под подошвой арки, W7	969,39	102,45	99313,77
Фильтрационное давление воды, WФ	837,07	101,50	84961,44
Вес арки, Ga	3435,63	32,68	-112268,73
Вес контрфорса, GК	8007,7	48,20	385991,91
Сумма	19974,75		667564,22

*Примечание: момент со знаком «+» вращает по часовой стрелке относительно ц.т., со знаком «-» вращает против часовой стрелки.

Расчет напряжений в контактном сечении

Расчет ведется элементарным методом, при этом напряжения определяются по следующим формулам:

Вертикальные напряжения: , где:

Х - расстояние от оси Z, проходящей через центр тяжести рассматриваемого сечения, до рассматриваемого места сечения;

F - площадь полного сечения;

- момент инерции относительно оси Z;

Виды напряжений	Формулы для определения напряжений на гранях
	напорной	низовой
Главные нормальные
Нормальные в вертикальных площадках
Скалывающие в вертикальных (или горизонтальных) площадках
Главные скалывающие



;

Вертикальные напряжения в контактном сечении около напорной грани - сжимающие, а значит раскрытия контактного шва не происходит.

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

Напряжения, МПа
	Напорная грань	Безнапорная грань
	1,69	6,59
	1,89	7,07
	1,53	0,00
	1,73	0,47
	0,18	1,77
	-0,18	3,53

Как видно из расчетов напряжения в контактном сечении являются сжимающими. Максимальные напряжения не превышают предела прочности бетона В15 на сжатие .

Расчет напряжений по высоте плотины

Расчет производится проводится по формулам из предыдущих пунктов, напряжения определяются для сечений, расположенных на высоте 50м, 100м и 150м от дна. Для удобства результаты расчетов представлены в табличной форме.

Нагрузки при h =50 м	Сила, МН	Плечо, м	Момент, МН*м
Горизонтальное давление воды ВБ, W1	5836,25	47,67	278194,36
Вертикальное давление воды ВБ, W2	5254,98	31,97	-167993,77
Вес арки, Ga	2738,11	19,68	-53890,97
Вес контрфорса, GК	3702,84	41,62	154109,229
Сумма	11695,92		210418,84

Напряжения, Мпа (h =50 м)
	Напорная грань	Безнапорная грань
	2,19	5,23
	1,40	5,61
	2,82	0,00
	2,04	0,38
	-0,71	1,40
	0,71	2,80

Нагрузки при h=100 м	Сила, МН	Плечо, м	Момент, МН*м
Горизонтальное давление воды ВБ, W1	2391,53	31,00	74137,54
Вертикальное давление воды ВБ, W2	2153,35	17,69	-38096,17
Вес арки, Ga	2294,23	7,77	-17833,91
Вес контрфорса, GК	1272,93	35,17	44764,4733
Сумма	5720,50		62971,93



Напряжения, Мпа (h =100 м)
	Напорная грань	Безнапорная грань
	2,20	4,34
	0,91	4,65
	3,24	0,00
	1,95	0,31
	-1,16	1,16
	1,16	2,33

Нагрузки при h =150 м	Сила, МН	Плечо, м	Момент, МН*м
Горизонтальное давление воды ВБ, W1	494,82	14,33	7092,42
Вертикальное давление воды ВБ, W2	445,54	3,91	-1740,83
Вес арки, Ga	1850,35	-2,22	4100,15
Вес контрфорса, GК	209,45	28,53	5976,47651
Сумма	2505,33		15428,21

Напряжения, Мпа (h =150 м)
	Напорная грань	Безнапорная грань
	2,64	3,86
	0,42	4,14
	4,43	0,00
	2,22	0,28
	-1,99	1,03
	2,00	2,07

Эпюры напряжений в плотине

Эпюра



Эпюра



Эпюра

Эпюра



4. Устойчивость контрфорса при сейсмическом воздействии

Расчет контрфорсной плотины на сейсмическое воздействие проводится в соответствии с главой 8 СП 14.13330.2014 «Строительство в сейсмических районах», используя линейно-спектральную теорию сейсмостойкости. В соответствии с этой теорией необходимо определить значения сейсмических сил при заданной сейсмичности (7 баллов) и сложить их с основными, действующими на плотину, нагрузками. При этом контрфорсную плотину необходимо рассчитывать как на продольный сейсм (вдоль потока), так и на поперечный (боковой) сейсм - поперек потока (вдоль продольной оси плотины). В курсовом проекте будем рассчитывать контрфорс на поперечный сейсм, так как для этого вида плотин он является наиболее опасным.

Расчет сейсмических сил

Основная формула для расчета сейсмической нагрузки, действующей на элемент сооружения, отнесенная к узлу «k», при i-ой форме собственных колебаний имеет вид:

, где:

- коэффициент, зависящий от степени повреждений, допускаемых в сооружении при землетрясении; для всех гидротехнических сооружений ;

- коэффициент, учитывающий влияние высоты сооружения на значение узловых инерционных сил и равный для водоподпорных сооружений всех типов: 0.8 - для сооружений высотой до 60м, 1 - для сооружений высотой более 100м; в интервале между этими значениями высот - по линейной интерполяции;

- коэффициент, учитывающий демпфирующие свойства конструкций и равный для водоподпорных сооружений: 0.9 - для бетонных и железобетонных сооружений, 0.7 - для сооружений из грунтовых материалов;

- масса элемента сооружения, отнесенного к узлу k;

- максимальное сейсмическое ускорение основания, зависящее от исходной и расчетной сейсмичности района, а также от грунтов основания;

- коэффициент динамичности, соответствующий периоду собственных колебаний сооружения Тi по i-ой форме колебаний и равный:



Значения произведения должны составлять не менее 0.8;

- коэффициент формы собственных колебаний сооружения по i-ой форме колебаний и равный:

, где:

- проекции по направлениям j смещений узла k по i-ой форме собственных колебаний сооружения;

- косинусы углов между направлениями вектора сейсмического воздействия и перемещениями .

Обобщенное значение расчетной сейсмической нагрузки, действующей в k-ом элементе в j-ом направлении от всех форм собственных колебаний определяют по формуле:

;

Пересчет периодов собственных колебаний с плотины аналога, используя подобие Коши:

, где:

- удельный вес бетона плотины;

- модуль упругости бетона плотины;

- высота плотины;

- период собственных колебаний плотины аналога и равный: - для первой собственной формы колебаний, - для второй, - для третьей и - для четвертой;

- характеристики плотины аналога.

Т1, с	1,365		1,35
Т2, с	0,429		2,41
Т3, с	0,332		2,50
Т4, с	0,254		2,50

Формы собственных колебаний в поперечном направлении:

Расчет сейсмических сил

	1 форма собственных колебаний	2 форма собственных колебаний	3 форма собственных колебаний
Qк, МН	u1k				, МН	u2k				, МН	u3k				, МН
39,71	0,92	36,53	33,61	2,80	4,87	-0,4	-15,88	6,35	0,98	3,06	0,8	31,77	25,41	2,17	6,98
50,89	0,74	37,66	27,87	2,25	5,02	-0,2	-10,18	2,04	0,49	1,96	0,68	34,60	23,53	1,85	7,61
124,03	0,56	69,46	38,90	1,70	9,25	-0,46	-57,05	26,24	1,13	10,99	0,5	62,02	31,01	1,36	13,63
94,88	0,42	39,85	16,74	1,28	5,31	-0,8	-75,90	60,72	1,97	14,62	0,36	34,16	12,30	0,98	7,51
51,89	0,3	15,57	4,67	0,91	2,07	-0,9	-46,70	42,03	2,22	8,99	0,28	14,53	4,07	0,76	3,19
90,83	0,19	17,26	3,28	0,58	2,30	-0,83	-75,39	62,58	2,04	14,52	0,18	16,35	2,94	0,49	3,59
136,37	0,11	15,00	1,65	0,33	2,00	-0,55	-75,00	41,25	1,35	14,44	0,11	15,00	1,65	0,30	3,30
188,58	0,07	13,20	0,92	0,21	1,76	-0,4	-75,43	30,17	0,98	14,52	0,08	15,09	1,21	0,22	3,32
247,47	0,05	12,37	0,62	0,15	1,65	-0,2	-49,49	9,90	0,49	9,53	0,05	12,37	0,62	0,14	2,72
313,06	0,02	6,26	0,13	0,06	0,83	-0,08	-25,05	2,00	0,20	4,82	0,02	6,26	0,13	0,05	1,38
271,75	0,34	92,39	31,41	1,03	12,31	-0,6	-163,05	97,83	1,48	31,40	0,18	48,91	8,80	0,49	10,75
285,05	0,21	59,86	12,57	0,64	7,98	-0,56	-159,63	89,39	1,38	30,74	0,13	37,06	4,82	0,35	8,15
298,09	0,13	38,75	5,04	0,40	5,16	-0,46	-137,12	63,08	1,13	26,40	0,06	17,89	1,07	0,16	3,93
310,89	0,08	24,87	1,99	0,24	3,31	-0,3	-93,27	27,98	0,74	17,96	0,03	9,33	0,28	0,08	2,05
323,48	0,05	16,17	0,81	0,15	2,16	-0,16	-51,76	8,28	0,39	9,97	0,03	9,70	0,29	0,08	2,13
335,90	0,02	6,72	0,13	0,06	0,90	-0,08	-26,87	2,15	0,20	5,17	0,01	3,36	0,03	0,03	0,74
256,14	0,02	5,12	0,10	0,06	0,68	-0,05	-12,81	0,64	0,12	2,47	0,08	20,49	1,64	0,22	4,50
335,90	0,02	6,72	0,13	0,06	0,90	-0,04	-13,44	0,54	0,10	2,59	0,07	23,51	1,65	0,19	5,17
335,90	0,02	6,72	0,13	0,06	0,90	-0,04	-13,44	0,54	0,10	2,59	0,06	20,15	1,21	0,16	4,43
335,90	0,02	6,72	0,13	0,06	0,90	-0,04	-13,44	0,54	0,10	2,59	0,04	13,44	0,54	0,11	2,95
86,40	0,02	1,73	0,03	0,06	0,23	-0,03	-2,59	0,08	0,07	0,50	0,26	22,46	5,84	0,71	4,94
323,48	0,04	12,94	0,52	0,12	1,72	-0,01	-3,23	0,03	0,02	0,62	0,197	63,73	12,55	0,53	14,01
323,48	0,05	16,17	0,81	0,15	2,16	-0,1	-32,35	3,23	0,25	6,23	0,14	45,29	6,34	0,38	9,96
323,48	0,05	16,17	0,81	0,15	2,16	-0,12	-38,82	4,66	0,30	7,47	0,1	32,35	3,23	0,27	7,11
241,14	0,09	21,70	1,95	0,27	2,89	0	0,00	0,00	0,00	0,00	0,42	101,28	42,54	1,14	22,26
310,89	0,09	27,98	2,52	0,27	3,73	-0,08	-24,87	1,99	0,20	4,79	0,3	93,27	27,98	0,81	20,50
310,89	0,085	26,43	2,25	0,26	3,52	-0,195	-60,62	11,82	0,48	11,67	0,14	43,52	6,09	0,38	9,57
95,33	0,14	13,35	1,87	0,43	1,78	-0,01	-0,95	0,01	0,02	0,18	0,78	74,35	58,00	2,12	16,34
298,09	0,14	41,73	5,84	0,43	5,56	-0,06	-17,89	1,07	0,15	3,44	0,55	163,95	90,17	1,49	36,04
298,09	0,14	41,73	5,84	0,43	5,56	-0,24	-71,54	17,17	0,59	13,78	0,2	59,62	11,92	0,54	13,11
218,66	0,21	45,92	9,64	0,64	6,12	0	0,00	0,00	0,00	0,00	0,7	153,06	107,14	1,90	33,65
285,05	0,21	59,86	12,57	0,64	7,98	-0,28	-79,81	22,35	0,69	15,37	0,198	56,44	11,18	0,54	12,41
95,16	0,34	32,36	11,00	1,03	4,31	-0,1	-9,52	0,95	0,25	1,83	0,5	47,58	23,79	1,36	10,46
271,75	0,34	92,39	31,41	1,03	12,31	-0,3	-81,52	24,46	0,74	15,70	0,14	38,04	5,33	0,38	8,36
104,47	0,44	45,97	20,23	1,34	6,12	-0,1	-10,45	1,04	0,25	2,01	0,1	10,45	1,04	0,27	2,30
258,12	0,44	113,57	49,97	1,34	15,13	-0,44	-113,57	49,97	1,08	21,87	0,26	67,11	17,45	0,71	14,75
114,63	0,56	64,19	35,95	1,70	8,55	-0,2	-22,93	4,59	0,49	4,41	0,32	36,68	11,74	0,87	8,06
70,11	0,74	51,88	38,39	2,25	6,91	-0,1	-7,01	0,70	0,25	1,35	0,56	39,26	21,99	1,52	8,63
8007,93		1253,28	412,44		166,99		-1768,58	718,38		340,55		1594,43	587,52		350,49

	3,04
	-2,462
	2,714
	-2,620

Расчет сейсмических сил (продолжение)

		4 форма собственных колебаний
N	Qк, МН	u4k				, МН	, МН	Плечо	М, МН*м
1	39,71	-0,9	-35,74	32,17	2,36	7,58	11,80	183,35	2164,17
2	50,89	-0,64	-32,57	20,84	1,68	6,91	11,60	164,05	1903,52
3	124,03	-0,1	-12,40	1,24	0,26	2,63	19,98	144,75	2891,75
4	94,88	-0,55	-52,18	28,70	1,44	11,07	20,51	125,45	2573,40
5	51,89	-0,2	-10,38	2,08	0,52	2,20	10,01	106,15	1062,70
6	90,83	-0,65	-59,04	38,38	1,70	12,53	19,64	86,85	1706,12
7	136,37	-0,7	-95,46	66,82	1,83	20,26	25,17	67,55	1700,50
8	188,58	-0,4	-75,43	30,17	1,05	16,01	21,94	48,25	1058,45
9	247,47	-0,18	-44,55	8,02	0,47	9,45	13,79	28,95	399,34
10	313,06	-0,08	-25,05	2,00	0,21	5,31	7,35	9,65	70,97
11	271,75	-0,08	-21,74	1,74	0,21	4,61	35,70	106,15	3789,04
12	285,05	-0,34	-96,92	32,95	0,89	20,56	38,70	86,85	3361,06
13	298,09	-0,42	-125,20	52,58	1,10	26,56	38,01	67,55	2567,71
14	310,89	-0,32	-99,48	31,83	0,84	21,11	27,99	48,25	1350,38
15	323,48	-0,16	-51,76	8,28	0,42	10,98	15,14	28,95	438,21
16	335,90	-0,08	-26,87	2,15	0,21	5,70	7,79	9,65	75,14
17	256,14	-0,06	-15,37	0,92	0,16	3,26	6,12	9,65	59,07
18	335,90	-0,06	-20,15	1,21	0,16	4,28	7,25	9,65	69,92
19	335,90	-0,02	-6,72	0,13	0,05	1,43	5,40	9,65	52,10
20	335,90	-0,04	-13,44	0,54	0,10	2,85	4,93	9,65	47,61
21	86,40	-0,14	-12,10	1,69	0,37	2,57	5,59	28,95	161,89
22	323,48	-0,14	-45,29	6,34	0,37	9,61	17,09	28,95	494,64
23	323,48	-0,1	-32,35	3,23	0,26	6,86	13,77	28,95	398,69
24	323,48	-0,08	-25,88	2,07	0,21	5,49	11,88	28,95	344,04
25	241,14	-0,26	-62,70	16,30	0,68	13,30	26,10	48,25	1259,14
26	310,89	-0,24	-74,61	17,91	0,63	15,83	26,60	48,25	1283,66
27	310,89	-0,1	-31,09	3,11	0,26	6,60	16,84	48,25	812,71
28	95,33	-0,48	-45,76	21,96	1,26	9,71	19,09	67,55	1289,83
29	298,09	-0,44	-131,16	57,71	1,15	27,83	46,00	67,55	3107,35
30	298,09	-0,05	-14,90	0,75	0,13	3,16	20,06	67,55	1355,09
31	218,66	-0,57	-124,64	71,04	1,49	26,45	43,23	86,85	3754,57
32	285,05	0	0,00	0,00	0,00	0,00	21,30	86,85	1850,01
33	95,16	-0,52	-49,48	25,73	1,36	10,50	15,54	106,15	1649,88
34	271,75	-0,32	-86,96	27,83	0,84	18,45	28,43	106,15	3018,03
35	104,47	-0,24	-25,07	6,02	0,63	5,32	8,67	125,45	1087,38
36	258,12	-0,2	-51,62	10,32	0,52	10,95	32,32	125,45	4055,07
37	114,63	-0,48	-55,02	26,41	1,26	11,67	17,15	144,75	2481,80
38	70,11	-0,78	-54,68	42,65	2,04	11,60	16,08	164,05	2638,70
Сумма	8007,93		-1843,75	703,85		391,21	734,59		58383,67

Расчет напряжений в основании плотины

Напряжения в основании плотины определяются по следующей формуле:

;

;

;

В итоге:



Максимальные главные напряжения:

;

;

;

.

Расчет показал, что при сейсмическом воздействии растягивающих напряжений в основании плотины не появляется, однако максимальные сжимающие напряжения значительно больше ранее посчитанных, поэтому необходимо назначить в основании контрфорса бетон более высокого класса В30 на сжатие .

5. Гидравлические расчеты

Пропуск строительного расхода

Порядок расчета туннеля

Для пропуска строительных расходов принимается туннель круглого сечения.

Ниже приведен пример расчета для туннеля длиной 506м, при высоте верховой перемычки 46м.

Расчетная формула пропускной способности туннеля:

, где

- коэффициент расхода;

- коэффициент Кориолиса;

- суммарные потери в туннеле;

- коэффициент сопротивления на входе в туннель;

- коэффициент сопротивления на выходе из туннеля;

- коэффициент сопротивления по длине туннеля;

- площадь поперечного сечения туннеля;

- коэффициент шероховатости туннеля с облицовкой из набрызг-бетона;

- смоченный периметр;

- гидравлический радиус;

- коэффициент Шези;

- длина туннеля при высоте верховой перемычки 46м.

;

Так как невозможно непосредственно выразить из формул, то расчет необходимо производить путем приближений:

I приближение

Принимаем:

1 туннель диаметром ;

Тогда:

;

;

;

;

;

;

- диаметр туннеля;

II приближение

;

;

;

;

;

- диаметр туннеля;

Так как значения практически не отличаются от полученных ранее, то принимаем а=6.95 м.

Обоснование выбора диаметра туннеля

Для обоснования выбора диаметра строительного туннеля необходимо построить график зависимости цены перемычек и туннеля от напора. Так как при увеличении напора высота верховой перемычки будет увеличиваться (как и ее стоимость), а диаметр туннеля и его стоимость уменьшаться, то на графике появится точка оптимума, которая покажет минимальную стоимость этих сооружений и напор.

Для расчета стоимости туннеля и перемычек расценки брались из УПС ГЭС-84, при этом накладные расходы и сметная прибыль не учитывались, а также не учитывалась стоимость бетона ввиду его незначительного влияния на общую стоимость работ.

Для возведения перемычек используется известняк, добываемый из ближайших карьеров. В стоимость возведения включены:

- Разработка грунта экскаваторами с погрузкой на автосамосвалы и перевозкой до 3 км для группы грунтов V (известняк);

- Вскрышные работы;

- Возведение насыпей из несвязных грунтов.

УПС раздела ''Тоннели" учитывают весь комплекс работ: разработку породы с погрузкой ее и транспортом, временные крепления, установку арматуры, устройство монолитной однослойной бетонной или железобетонной обделки с транспортом бетонной смеси, заполнительную цементацию, а также обслуживающие процессы и работы по укладке, прокладке и разборке коммуникаций; стоимость работ определена с учетом капежа. В УПС учтено, что работы в тоннеле осуществляются через портал. Известняк относится к VIII группе грунтов (известняк прочный) с коэффициентом крепости f=8.

Высота верховой перемычки, м	Создаваемый напор, м	Объем перемычек, м3	Стоимость возведения перемычек, руб	Диаметр туннеля, м	Объем породы по проектному наружному очертанию конструкции, м3	Стоимость туннеля, руб	Суммарная стоимость возведения сооружений, руб
25	5	17929	28994,78	9,86	34364	1233668	1262662
28	8	21289	34428,57	8,9	28656,8	1040242	1074670
31	11	25151	40674,2	8,3	25548,62	975957,3	1016631,5
34	14	29546	47781,79	7,9	23504,7	930786,1	978567,9
37	17	34195	55300,2	7,56	22072,3	893929	949229
40	20	40254	65098,77	7,31	21042,56	869057,7	934156,5
43	23	49123	79441,72	7,11	20292,51	848226,9	927668,6
46	26	61222	99008,22	6,93	19642,92	830895,5	929903,7
49	29	78770	127386,8	6,78	19255,85	82224,8	949611,6
52	32	98339	159033,8	6,65	18748,72	808069,8	967103,7

*Примечание: цены приведены на 1984 год.



Как видно из графика оптимальная цена сооружений будет при напоре 23м (высота перемычки 43 м).

Полезный попуск из водохранилища

Для пропуска расхода необходимо подобрать площадь поперечного сечения трубы, которая будет проходить в контрфорсе плотины. Расчет и расчетные формулы такие же, как и в предыдущем пункте.

- коэффициент шероховатости металлической трубы;

;

I приближение

Принимаем:

Диаметр трубы ;

Тогда:



;

;

;

;

;

;

II приближение

;

;

;

;

;

Так как значения не отличаются от полученных ранее, то принимаем d=0.76 м.

Расчёт водослива для пропуска максимального расчетного расхода.

Максимальный расчетный расход равен 1200 м3/с. Принимаем водослив с 2 секциями, расположенными на низовых гранях контрфорсов, шириной 8м.

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

, где:

- коэффициент бокового сжатия, снижающий пропускную способность за счёт неравномерного подхода струи;

m - безразмерный коэффициент расхода, зависящий от типа водосливной плотины и от специфики условий её работы;

n - коэффициент подтопления со стороны нижнего бьефа, учитывающий пропускную способность водослива (если УНБ выше отметки гребня, то n < 1.0 и пропускная способность снижается);

Ho - напор на водосливе, складывающийся из статического напора H и скоростного напора , где V0 - скорость подхода воды к плотине в верхнем бьефе;

Таким образом имеем:

, где:

P - высота водослива;

H - статический напор;

В1 - ширина водослива;

B2 - ширина потока до водослива;

б - коэффициент, учитывающий форму быков.

, где:

- постоянная величина, показывающая зависимость профиля водослива от величины горизонтальной вставки.

, где

- площадь живого сечения реки по створу.

.

, тогда скорость подхода воды равна:

- т.к. скорость подхода меньше 0.5м/с, то ее можно не учитывать.

Первое приближение

при m = 0.4, = 1, п = 1 (подтопления нет)

Высота водослива P = T - H

.



,

так как пор. > Н.Б., т.е. 180.85 м > 6 м, то подтопления нет, п = 1.

;

;

Второе приближение

при m = 0.406, = 0.996, п = 1 (подтопления нет)

.

,

так как пор. > Н.Б., т.е. 180.94 м > 6 м, то подтопления нет, п = 1.



;

Так как коэффициенты не изменились, то принимаем Н = 12.07 м; Р = 180.93 м; пор = 180.93м.

Расчёт отброса струи.

Дальность отлета струи определяется по формуле:

, где:

- угол наклона носка;

- превышение оси струи на носке над уровнем воды в нижнем бьефе;

- скорость схода струи с носка;

- превышение носка трамплина над поверхностью воды в НБ;

- коэффициент, учитывающий влияние аэрации потока на дальность отлета струи. По данным ВНИИГ:

Fr	30	50	60	75	100	150
ka	1	0.87	0.8	0.71	0.57	0.49

- число Фруда.

Для определения скорости схода струи с носка необходимо знать глубину воды в этом сечении hсж, которая определяется последовательными приближениями по формуле:

, где:

- действующий напор;

- коэффициент скоростной;

Первое приближение:

Второе приближение:

Принимаем



Расчёт глубины ямы размыва.

По формуле Т. А. Ахмедова:

, где:

- скорость входа струи под уровень;

- коэффициент скорости для аэрированной струи;

- неразмывающая скорость потока нижнего бьефа для скального основания;

;

- угол внутреннего трения грунта основания;

С=1.1 - параметр турбулентности;



;

- угол входа струи под уровень;

.

В полученную величину включена глубина нижнего бьефа, поэтому яма размыва равна:

Дальность падения струи на дно ямы размыва с учетом ее движения под уровнем по прямой равна:

.

Яма размыва находится на значительном расстоянии от сооружения и не представляет для него никакой угрозы.



Список используемой литературы

1. Рассказов Л.Н., Орехов В.Г., Анискин Н.А., Малаханов В.В., Бестужева А.С., Саинов М.П., Солдатов П.В., Толстиков В.В. Гидротехнические сооружения (речные). Часть 1, 2. Учебник для вузов. Издание второе. Исправленное и дополненное. - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2011. - 584 с.

2. Киселев П.Г., Альтшуль А.Д., Данильченко Н.В., Каспарсон А.А., Кривченко Г.И., Пашков Н.Н., Слисский С.М. Справочник по гидравлическим расчетам. Под редакцией Киселева П.Г. Издание 4-е, переработанное и дополненное М., «Энергия», 1972.

3. Гришин М.М., Слисский С.М., Антипов А.И., Воробьев Г.А., Иванищев В.Ф., Орехов В.Г., Пашков Н.Н., Поспелов В.Н., Рассказов Л.Н. Гидротехнические сооружения (в двух частях). Ч. 1, 2: Учебник для студентов вузов /Под редакцией Гришина М.М. - М.: Высшая школа, 1979. - 615 с.

4. Гришин М.М., Розанов Н.П., Белый Л.Д., Васильев П.И., Гордиенко П.И. Иванищев В.Ф., Орехов В.Г. Бетонные плотины (на скальных основаниях). Учебное пособие для вузов. М., Стройиздат, 1975. 362 с.

5. Слисский С.М. Гидравлические расчеты высоконапорных гидротехнических сооружений: Учебное пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 304 с.

6. Розанов Н.П. Контрфорсные плотины. М.: Государственное издательство строительной литературы, 1949. - 288 с.

7. УПС ГЭС-84

Размещено на Allbest.ru