Проектирование грунтовой плотины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Гидрологические расчеты

1.1 Характеристики речного стока

1.2 Вычисление и построение кривых обеспеченностей

2. Водохозяйственные расчеты

2.1 Установление необходимости и вида регулирования стока реки

2.2 Характеристики водохранилища

2.3 Сезонно-годичное регулирование стока

2.4 Потери воды из водохранилища на испарение и фильтрацию

3. Проектирование грунтовой плотины

3.1 Выбор типа плотины

3.2 Конструирование поперечного профиля



Исходные данные

Таблица 1

Годы	Средние годовые расходы Q, м3/с
1951	113
1952	64,6
1953	135
1954	107
1955	83,7
1956	82,9
1957	86,5
1958	72
1959	88
1960	107
1961	58
1962	44
1963	44,9
1964	29,7
1965	47,2
1966	36,5
1967	39,4
1968	28,2
1969	54,8
1970	37,2
1971	41,3
1972	43,4
1973	103
1974	135
1975	96



Введение

Гидроузел - группа гидротехнических сооружений, объединенных по расположению и условиям совместной работы. В зависимости от места расположения гидроузлы бывают морские, речные, на каналах, озерные и прудовые. По назначению гидроузлы делятся на энергетические, транспортные, водозаборные, регулирующие сток и водохранилищные, если они служат для перераспределения стока реки с целью различного его использования. Гидроузлы, разрешающие несколько водохозяйственных задач одновременно, называются комплексными. Большинство крупных гидроузлов являются комплексными. Различают гидроузлы низконапорные когда разность уровней воды верхнего и нижнего бьефов (напор) не превышает 10 м, средненапорные (с напором 10-40 м), высоконапорные (с напором более 40 м). Низконапорные гидроузлы сооружаются на равнинных реках, преимущественно в пределах их русла, главным образом, для транспортных или энергетических целей (ГЭС) и на горных реках (для орошения).Средненапорные гидроузлы сооружаются для тех же целей, что и низконапорные, а также для борьбы с наводнениями. Высоконапорные гидроузлы обычно служат для комплексных целей.

Сооружения, входящие в состав гидроузла, разделяются на основные и вспомогательные. Основные сооружения обеспечивают нормальную работу гидроузла и подразделяются на общие (плотины, водосбросы, сооружения для удаления льда, шуги, наносов, регуляционные и др.) и специальные (ГЭС, судоходные шлюзы, рыбоходы, бревноспуски и др.). Вспомогательные сооружения необходимы для нормальной эксплуатации основных. К ним относятся жилые, административно- хозяйственные и культурно-бытовые здания, водопровод, канализация, дороги, мастерские и т. п.

Гидротехническим комплексом или гидросистемой называют комплекс гидротехнических сооружений, обычно объединенных в несколько гидроузлов и имеющих «линейные» участки трассы (участки рек, каналы, туннели), которые могут располагаться со значительным отдалением друг от друга, но служат общим водохозяйственным целям. Как и гидроузлы, гидросистемы бывают специализированными и комплексными.

Гидротехнические сооружения (ГТС) - инженерные сооружения, предназначенные для использования водных ресурсов или для борьбы с разрушительным действием воды.

Гидротехнические сооружения бывают общие, применяемые почти для всех видов использования вод, и специальные, возводимые для какой-либо одной отрасли экономики.

Общие гидротехнические сооружения:

· Водоподпорные

· Водопроводящие

· Регуляционные

· Водозаборные

· Водосбросные

Специальные гидротехнические сооружения:

§ Сооружения для использования водной энергии - здания гидроэлектрических станций, напорные бассейны и др.

§ Сооружения водного транспорта - судоходные шлюзы, судоподъемники, маяки и др., сооружения по обстановке судового хода, плотоходы, бревноспуски и пр.

§ Портовые сооружения - молы, волноломы, пирсы, причалы, доки, эллинги, слипы и др.

§ Мелиоративные - магистральные и распределительные каналы, шлюзы-регуляторы на оросительных и осушительных системах

§ Рыбохозяйственные - рыбоходы, рыбоподъемники, рыбоводные пруды и т.п.



1. Гидрологические расчеты

1.1 Характеристики речного стока

Основным методом гидрологических расчетов при составлении характеристик речного стока является использование материала гидрометрических наблюдений на изучаемой реке. Количественными характеристиками стока реки в определенном створе являются:

1. Расход воды Q, м3/с - количество воды, протекающее через поперечное сечение реки в 1 секунду.

2. Объем стоков V, м3 - количество воды, протекающее через данное сечение реки за некоторое время.

3. Модульный коэффициент К = - отношение величины расхода воды за какой-то период к среднему многолетнему расходу, где - расход воды за данный период, - средний многолетний расход.

= = 71,132 м3/с

4. Обеспеченность гидрологической характеристики - вероятность превышения ее над всеми ее возможными значениями.

P = • 100% ,

где m - порядковый номер члена ряда величин стока, расположенных в убывающем порядке, n - общее число членов ряда (n=25).

5. Коэффициент вариации



CV = = = = 0.4626

Отношение среднего квадратичного расхода к среднему многолетнему расходу.

=

6. Коэффициент ассиметрии

CS = = = = 0.42315

1.2 Вычисление и построение кривых обеспеченностей

Кривая обеспеченности - это интегральное выражение кривой распределения, показывающей обеспеченность или вероятность превышения в процентах той или иной величины в данном многолетнем ряду.

Определение параметров водохранилища начинают с расчета и построения кривой обеспеченности, пользуясь расчетной таблицей.

№	Исходные данные	В убыв. порядке	Р	К	К-1	(К-1)2	(К-1)3
	годы	расход	годы	расход
1	1951	113	1953	135	2,756	1,8978	0,8978	0,8060	0,7236
2	1952	64,6	1974	135	6,693	1,8978	0,8978	0,8060	0,7236
3	1953	135	1951	113	10,63	1,5885	0,5885	0,3463	0,2038
4	1954	107	1954	107	14,567	1,5042	0,5042	0,2542	0,1281
5	1955	83,7	1960	107	18,504	1,5042	0,5042	0,2542	0,1281
6	1956	82,9	1973	103	22,441	1,4480	0,448	0,2007	0,0899
7	1957	86,5	1975	96	26,378	1,3496	0,3496	0,1222	0,0427
8	1958	72	1959	88	30,315	1,2371	0,2371	0,0562	0,0133
9	1959	88	1957	86,5	340252	1,2160	0,216	0,0466	0,0100
10	1960	107	1955	83,7	38,189	1,1766	0,1766	0,0311	0,0055
11	1961	58	1956	82,9	42,126	1,1654	0,1654	0,0273	0,0045
12	1962	44	1958	72	46,063	1,0122	0,0122	0,0001	0
13	1963	44,9	1952	64,6	50	0,9081	-0,0919	0,0084	-0,0007
14	1964	29,7	1961	58	53,937	0,8153	-0,1847	0,0341	-0,0063
15	1965	47,2	1969	54,8	57,874	0,7703	-0,2297	0,0527	-0,0121
16	1966	36,5	1965	47,2	61,811	0,6635	-0,3365	0,1132	-0,0381
17	1967	39,4	1963	44,9	65,748	0,6312	-0,3688	0,1360	-0,0501
18	1968	28,2	1962	44	69,685	0,6185	-0,3815	0,1455	-0,0555
19	1969	54,8	1972	43,4	73,622	0,6101	-0,3899	0,1520	-0,0592
20	1970	37,2	1971	41,3	77,559	0,5806	-0,4194	0,1758	-0,0737
21	1971	41,3	1967	39,4	81,496	0,5539	-0,4461	0,1990	-0,0887
22	1972	43,4	1970	37,2	85,433	0,5229	-0,4771	0,2276	-0,1086
23	1973	103	1966	36,5	89,37	0,5131	-0,4869	0,2370	-0,1154
24	1974	135	1964	29,7	93,307	0,4175	-0,5825	0,3393	-0,1976
25	1975	96	1968	28,2	97,244	0,3964	-0,6036	0,3643	-0,2199
24,99	-0,0012	5,136	1,0473



2. Водохозяйственные расчеты

2.1 Установление необходимости и вида регулирования стока реки

Неравномерность внутригодового распределения стока рек, ежегодно повторяющиеся периоды чередования пониженных и повышенных расходов межени и половодья, несовпадение графиков отдачи и стока во времени обуславливают необходимость регулирования стока реки. Чтобы полнее использовать естественные водные ресурсы, приспособить их режим к производственному режиму потребной отдачи, речной сток регулируют водохранилищем.

Необходимость регулирования стока реки устанавливается путем сопоставления расчетного годового стока реки расчетной обеспеченности и годового объема хозяйственного водопотребления.

Расчет выполняем в табличной форме.

Таблица 2 - Расчет водохранилища водного регулирования

Внутригодовой расход	Месяцы	Год
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	-
Расход от годового, %	4,8	7,2	10,7	14,7	17,5	12	7,9	6,3	4,6	4,3	6,2	3,8	? 100
Расход,	23,04	34,56	51,36	70,56	84	57,6	37,92	30,24	22,08	20,64	29,76	18,24	? 480
Сток, V	61,71	83,6	137,56	182,89	225	149,3	101,56	81	57,23	55,28	77,13	48,85	? 1261,11
Водопотребление, U	83,6	83,6	83,6	83,6	83,6	83,6	83,6	83,6	83,6	83,6	83,6	83,6	? 1003,2

Из таблицы 2 выявляем следующее:

- так как в отдельные месяцы(1,8,9,10,11,12) V < U, следовательно, необходимо регулирование стока;

- также V года > U года, то достаточно сезонного регулирования стока.

Рисунок 2 - График внутригодового распределения

2.2 Характеристики водохранилища

Водохранилище - искусственный водоем, образованный водоподпорным сооружением на водотоке для хранения воды и регулирования стока. Водоподпорным сооружением (плотиной) водоток и его долина разделяются на два участка. На участке выше плотины, до места сопряжения кривой подпора с расчетным уровнем водотока, повышаются уровни воды, снижаются скорости и образуется водохранилище. На участке ниже плотины в результате регулирования стока режим водотока нарушается и отличается от естественного.

Размеры водохранилища определяются нормативными уровнями и объемами.

При регулировании стока, как правило, различают три предельных нормативных уровня: нормальный подпорный уровень (НПУ) - максимальный проектный уровень верхнего бьефа, который может поддерживаться в нормальных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений; форсированный подпорный уровень (ФПУ); уровень мертвого объема (УМО) - проектный уровень максимальной технически допустимой сработки водохранилища, предусмотренной расчетом регулирования стока в условиях нормальной эксплуатации. Между форсированным и нормальным подпорным уровнем размещается емкость (объем) форсирования Vф, между нормальным подпорным уровнем и уровнем мертвого объема - полезная емкость (объем) - Vплз и между уровнем мертвого объема и подземным контуром чаши и водохранилища - мертвый объем Vмо.

Каждому водоему, проектируемому или находящемуся в эксплуатации, в зависимости от топографических условий и притока соответствует определенная связь между объемами воды V, площадями водной поверхности л и уровнями воды Н. Эту связь можно выразить зависимостями л = f1(Н) и V = f2(Н), которые называют кривыми площадей и объемов. Характеристику водохранилища строят в прямоугольных координатах: на оси ординат откладывают уровни, на оси абсцисс - площади и объемы.

2.3 Сезонно-годичное регулирование стока

При сезонно-годичном регулировании речной сток перераспределяется водохранилищем в течение года. Ежегодно водохранилище наполняется стоком текущего календарного половодья, срабатывается во время межени, наполняя ее сток до величины отдачи. Начальное и конечное наполнения водохранилища за календарный год равно мертвому объему. Цикл регулирования стока ограничен водохозяйственным годом, начинающимся с даты половодья, при которой расход отдачи и притока равны. В зависимости от требований потребителей выбирается расчетный год, водностью отвечающий заданной обеспеченности.

Расчеты водохранилища с использованием данных гидрометрических наблюдений проводится таблично-цифровым или графоаналитическими способами.

Таблично-цифровой способ расчета.

Таблично-цифровой способ расчета позволяет при наличии исходных данных получать результаты регулирования, решая уравнение баланса воды по интервалам времени.

Расчет производят по месячным интервалам времени в два этапа: предварительный - без учета потерь воды на испарение и фильтрацию и окончательный - с учетом последних. Расчет начинают с интервала, в котором сток превышает отдачу. Затем для каждого интервала вычисляют начальные и конечные наполнения. Конечные наполнения одного интервала являются начальными для последнего. За начальное наполнение принимают мертвый объем. На дату начала и окончания расчета конечное наполнение одно и то же. гидротехнический сток водохранилище фильтрация

Расчет выполняем в табличной форме.

Таблица 3 - таблично-цифровой способ расчета водохранилища

Месяцы	Vр	U	Vр - U	Vк	S
			+?в	-?d
2	83,6	83,6	0	-	18	-
3	137,56	83,6	53,96	-	71,96	-
4	182,89	83,6	99,29	-	138,4	32,85
5	225	83,6	141,4	-	138,4	141,4
6	149,3	83,6	65,7	-	138,4	65,7
7	101,56	83,6	17,96	-	138,4	17,96
8	81	83,6	-	-2,6	135,8	-
9	57,23	83,6	-	-26,37	109,43	-
10	55,28	83,6	-	-28,32	81,11	-
11	77,13	83,6	-	-6,47	74,64	-
12	48,85	83,6	-	-34,75	39,89	-
1	61,71	83,6	-	-21,89	18	-

Суммарный годовой объем сброса равен разности годовых объемов стока и полезной отдачи.

Полезный объем равен суммарному за период дефициту стока

VПЛЗ = У?d = 120,4 млн. м3



Величину мертвого объема определяем по формуле

Vм.о = = 18 млн. м3

Полный объем или объем при НПУ

VНПУ = VПОЛН = Vм.о + VПЛЗ = 138,4 млн. м3

2.4 Потери воды из водохранилища на испарение и фильтрацию

Потери на фильтрацию происходят: а) через тело грунтовой плотины и неплотности затворов водосбросных отверстий; б) через основание плотины и ее примыкания к берегам; в) через грунты ложа и берегов водохранилища. Первые два вида потерь на фильтрацию определяются при проектировании сооружений гидроузла и для их уменьшения могут быть проведены противофильтрационные мероприятия.

При расчете потерь на фильтрацию через грунты ложа и берегов водохранилища используют результаты гидрогеологических исследований в зоне создания водохранилища. При приближенных расчетах можно принять потери на фильтрацию в виде слоя воды с наличной площади зеркала водохранилища. Величину слоя фильтрации hф в год принимают при условиях: хороших - до 0,5 м; средних - 0,5-1,0 м; плохих - 1,0-2,0 м в год.

Объем потерь на фильтрацию Vф ( в м3/год) вычисляют по зависимости:

/ Vф = hф • Щ • 105 = 0,52•11,5•105 = 598 000м3

Где Щ - площадь зеркала водохранилища, км2, при некотором среднем наполнении водохранилища Vр.



Vр = 1,3 • Vполн = 1,3•138,4 = 180 млн м3

V = 0,5 • Vполн = 0,5•138,4 = 70 млн м3

Для определения Щ на рис.3 по расчетному объему Vр рассчитывают глубину наполнения водохранилища Н.

При создании водохранилища в результате увеличения площади водной поверхности появляются дополнительные потери на испарение, которые выражены в виде слоя воды ДZ, равного разнице величины испарения с поверхности воды и суши за один и тот же промежуток времени и составляют:

ДZ = Zв - Zс = 80-45 = 35мм

где Zв - слой испарения с водной поверхности, мм

Zс - слой испарения с поверхности суши, мм

Поверхность, с которой происходит испарение, является площадью зеркала водохранилища, изменяется во времени в зависимости от его наполнения.

Объем потерь на испарение Vи (в м3) можно приближенно определить из выражения

Vи = ДZ • Щ • 104 = 35•11,5•104 = 4 025 000 м3

где Щ - площадь зеркала водохранилища, км2, при расчетном объеме наполнения Vр .

С учетом потерь на фильтрацию и испарение величина полного объема водохранилища будет равна

Vполн = Vплз + Vм.о. + Vф + Vи



Vполн = 120,4 + 18 + 0,598 + 4,025 = 143,023 млн м3

Глубина воды в водохранилище в створе строительства гидроузла Н при полученном полном объеме водохранилища Vполн определяется из графика (рис.3).

По данным Vм.о., Vполн соответственно определяют отметки НПУ и УМО (рис.3).



3. Проектирование грунтовой плотины

3.1 Выбор типа плотины

Тип плотины выбирают исходя из инженерно-геологических, гидрогеологических , гидрологических и климатических условий, наличия тех или иных материалов вблизи створа, строительных возможностей, строительных сооружений и т. п.

Плотины в зависимости от грунтового материала, противофильтрационных устройств, а также способов возведения подразделяются на следующие типы: грунтовые намывные, каменно-грунтовые насыпные, грунтовые намывные, каменно-грунтовые, каменно-набросные.

Различают следующие подтипы этих плотин:

1. Плотины однородные, сооружаемые из грунта одного вида;

2. Плотины с экраном, возводимые из грунтов нескольких видов по следующему принципу: более мелкозернистые грунты располагают в верховом и более мелкозернистые грунты в низовом клине плотины.

3. Плотины с ядром, намываемые из разнозернистого грунта с фракционированием грунта его по поперечному профилю; в ядре - мелкозернистые фракции, в боковых призмах более крупные фракции между ядром и боковыми призмами.

Учитывая, что карьер с однородным грунтом имеет достаточные, мы проектируем однородный тип плотины.

3.2 Конструирование поперечного профиля

Поперечный профиль плотины должен иметь трапецеидальное очертание и размеры, обеспечивающие устойчивость тела плотины и её основание при любых возможных условиях работы сооружения.

Основными элементами профиля являются: тело плотины, гребень, верховой и низовой откосы с бермами и креплением, подошва с сопрягающими элементами, дренажные и противофильтрационные устройства.

Откосы и бермы.

Очертание профиля грунтовой плотины зависит от грунтов, из которых возводится плотина, типа и высоты плотины, характера грунтов основания и условий строительства.

При предварительном назначении заложения откосов допускается пользоваться данными аналогичных сооружений с последующей проверкой расчёта устойчивости откосов.

Верховые откосы плотины всегда более пологи, чем низовые, поскольку устойчивость откосов зависит от угла внутреннего трения, который для грунтов, насыщенных водой, меньше, чем для сухих.

Для высоких плотин с целью уменьшения их объёма, очертание откосов рекомендуется принимать с переломом.

Переломы откосов по высоте плотины дают через 10-15 м, при этом изменение заложения может быть осуществлено без берм или с бермами.

Гребень плотины как элемент насыпи, необходимый для придания поперечному профилю устойчивой трапецеидальной формы, одновременно может быть использован для устройства дороги. Для каждой категории дороги нормами установлена ширина земляного полотна, включающая в себя ширину обочин. Основные параметры земляного полотна и проезжей части автомобильных дорог в зависимости от категории и расчётной скорости движения.

Таблица 7

Наименование	Единицы измерений	Категория дорог
		?	??	???	??	?
Ширина проезжей части	м	1,5	7,5	7,0	6	4,5
Ширина обочины	м	3,75	3,75	2,6	2	1,76
Ширина земляного полотна	м	22,5	15	12	10	8

Глухие грунтовые плотины не допускают перелива воды через гребень. Поэтому последний должен иметь гарантированный запас над расчётным статическим уровнем воды, определённый по формуле:

d = hн + Дh + = 3,22 + 0 +1= 4,22 м

где hн - высота наката волны на откос, определяемая по формуле

hн=

где m1-где коэффициент заложения верхового откоса,

kм- коэффициент, зависящий от типа покрытия откоса.

В нашем случае покрытие железобетонное, поэтому kм=1

hв- высота волны (м), вычисляют по формуле

hв=0,0208щ5|4 б1|3=0,0208*11,55|4 * 51|3=0,75м

где щ-скорость ветра, м/с;

L- длина разгона волны, м

л-длина волны м, определяют по формуле

л=0,304 щL1|2=0,304*11,5*50,5=7,81 м

Дh=0м - высота ветрового нагона.

Размещено на Allbest.ru