Гидроузел с грунтовой плотиной

Размещено на http://www.allbest.ru/

МГСУ

Кафедра речных ГС

Записка к курсовому проекту по речным ГС:

“Гидроузел с грунтовой плотиной”

Выполнил

Факультет: ГСС

Курс: IV

Группа: Проверил: Толстиков В. В.



Введение

водовыпуск плотина грунтовой колодец

В данном курсовом проекте будет проведено проектирование (в рамках, оговоренных в задании) грунтовой плотины, водосбросов, водобойного колодца и водовыпуска (байпаса).

В качестве исходных данных выданы характеристики грунтов основания, расчётные уровни воды в проектируемом водохранилище, расчётные расходы воды в реке на строительный и эксплуатационный периоды, длина разгона волны, скорость ветра, а также физико-технические данные о грунтах ближайших к створу проектируемой плотины карьеров.



Глава 1. Выбор типа и профиля грунтовой плотины

1.1 Выбор типа и профиля грунтовой плотины

Выбор типа плотины зависит от многих факторов. В связи с тем, что в рамках курсового проекта не проводится технико-экономическое сопоставление вариантов гидроузла с учётом эффекта от сроков ввода сооружения в эксплуатацию, буду руководствоваться рекомендациями учебника для ВУЗов “ Гидротехнические сооружения” под редакцией коллектива авторов во главе с Л. Н. Рассказовым.

На скальном основании, каким является сиенит, возможно возведение каменно-земляной и каменной плотин. По данным о грунтах добываемых в ближайших карьерах (горная масса и суглинок) можно сделать вывод о возможности возведения каменно- земляной плотины с упорными призмами из горной массы.

Выбор профиля плотины сводится к выбору заложений откосов. В соответствии с рекомендациями учебника принимаю для горной массы заложения обоих откосов m=1.5 .

1.2 Определение отметки гребня плотины и расчёт крепления верхового откоса

Дано:

расчётная длина разгона волны,

расчётная скорость ветра,

продолжительность расчётного шторма,

класс капитальности сооружения - I,

глубина водоёма.

1) Определение отметки гребня плотины

где

отметка гребня,

расчётный уровень верхнего бьефа (НПУ),

высота наката волны,

высота нагона воды,

запас.

Для определения параметров волн буду использовать СНиП 2.06.04-82* (далее буду называть просто “СНиП”). Для этого необходимо вычислить следующие соотношения:

После этого по графикам на странице 36 СНиПа определяю соотношения:

из этих двух пар соотношений выбираю меньшую и нахожу искомые:

- средние высота и период волны.

Теперь определяю высоту волны расчётной для I класса обеспеченности, при этом коэффициент определяю по графику на рис. 2, стр. 37 СНиП:

где

высота волны расчётной обеспеченности,

коэффициент, зависящий от класса капитальности сооружения.

.

Для высот расчётной обеспеченности меньших, чем 2м рекомендуется каменное крепление откоса.

Определяю величину наката волны.

где

высота наката волны

коэффициент, определяющий высоту наката в долях от высоты наката регулярной волны на гладкую поверхность,

коэффициенты, учитывающие соответственно влияние относительной шероховатости, водопроницаемости покрытия откоса и заложения откоса.

В соответствии с рекомендациями учебника и поправками из конспекта лекций, принимаю:

.

.

Определяю вес камня, устойчивого на откосе под действием волн.

где

вес камня, устойчивого на откосе,

коэффициент, учитывающий тип крепления откоса,

удельный вес камня,

удельный вес воды.

Принимаю:

, где

диаметр камня, приведённого к шару

вес камня, устойчивого на откосе,

удельный вес камня.

.

Камни такого размера в составе горной массы присутствуют, что видно по кривой её гранулометрического состава, следовательно, окончательно принимаю крепление откоса каменным.

Определяю величину нагона воды.

где

величина нагона воды

скорость ветра

коэффициент

В результате, отметка гребня плотины равна:

1.3 Прогноз физико-механических свойств грунтов тела плотины

При проектировании грунтовых плотин основное внимание уделяют рациональному размещению того или иного грунта в конструкции для наиболее эффективного использования его свойства и получения возможности регулировать свойства грунтов, предназначенных к укладке в тело плотины. В грунтовых плотинах свойства грунта можно регулировать, изменяя гранулометрический состав, влажность и метод укладки.

Дано:

удельный вес частиц горной массы

удельный вес частиц суглинка

Вычисления:

I) Горная масса

1)где

удельный вес грунта в предельно рыхлом состоянии

эмпирический коэффициент,

процент (доля) содержания достоверно определённых фракций в гранулометрическом составе грунта,

коэффициент, характеризующий гранулометрический состав грунта.

где

максимальная достоверно определённая крупность частиц,

минимальная достоверно определённая крупность частиц,

величина i-того аппроксимированного промежутка в долях или процентах,

- крупности частиц на границах аппроксимированного промежутка.

2) По с помощью графика в учебнике определяю .

3) Определяю коэффициенты пористости

максимальный коэффициент пористости грунта,

минимальный коэффициент пористости грунта,

- коэффициент пористости грунта;

коэффициент относительной плотности (обычно принимают равным 0,9).

4) удельный вес грунта, которого нужно достичь при укладке

5) , где

удельный вес грунта в предельно насыщенном водой состоянии,

коэффициент пористости, ().

6) где

коэффициент фильтрации грунта,

коэффициент

кинематическая вязкость воды

7) формула Рассказова для определения , здесь

эмпирические параметры,

угол сдвига при ,

коэффициент относительной плотности.

II) Суглинок.

В теле плотины глинистый грунт чаще всего используют для создания противофильтрационных устройств в виде, например, ядра. Глинистый грунт в тело плотины стремятся укладывать при оптимальной влажности. Под оптимальной понимают влажность, при которой при выбранном методе уплотнения достигается максимальная плотность.

1) где

оптимальная влажность-

влажность на пределе раскатывания

2) где

объём защемлённого в порах грунта воздуха,

удельный вес воды.

3) В зависимости от коэффициента пористости по таблице на странице 145 учебника нужно выбрать параметры и - угол внутреннего трения и удельное сцепление, но т.к. для расчётного коэффициента пористости данные отсутствуют, в соответствии с данными конспекта принимаю:

.

4) - эмпирическая формула В. Н. Жиленкова

где

влажность на пределе текучести.

1.4 Расчёт фильтрации

- сводится к расчёту фильтрационного расхода, приходящегося на погонный метр ядра грунтовой плотины. Для этого строится гидродинамическая сетка в ядре (см. миллиметровку). После построения сетки строится эпюра градиентов на выходной грани ядра. Площадь этой эпюры, умноженная на коэффициент фильтрации, и есть удельный фильтрационный расход.

Т. к. , то расчётной схемой будет однородная плотина с тонким ядром.

Дано:

площадь эпюры градиентов (ед.изм. -метры, т.к. [м*1=м]),

ширина ядра по верху,

заложение откосов ядра плотины,

- коэффициент фильтрации ядра плотины.

Формулы:

высота падения свободной поверхности фильтрационного потока,

удельный фильтрационный расход.

Решение:

1.5 Подбор зернового состава переходных зон

Заключается в построении кривых гранулометрического состава слоёв переходных зон и выяснении количества таковых.

Подбираю из условия недопущения контактного выпора:

где

крупность частиц 90%-ной обеспеченности I-го слоя

сцепление на разрыв, определяется экспериментально, принимаю

для I-го класса сооружений,

максимальный градиент фильтрационного потока, берётся с эпюры градиентов из расчёта фильтрации, ,

коэффициент, выражающий размер пор в зависимости от размера частиц, берётся по графику, ,

.

2) Определяю зерновой состав переходных зон из условия возможности кольматации трещин:

где

крупность частиц 60%-ной обеспеченности I-го слоя,

крупность частиц 70%-ной обеспеченности ()

для

Из 2-х кривых, одна из которых проведена через параллельно второй, проведённой через и , кривой гранулометрического состава назначаю ту, которая находится левее, т. е. 2-ю.

3) По кривой I-го слоя определяю кривую II-го слоя:

Кривая II-го слоя находится правее кривой I-го => II-й слой- последний.



1.6 Расчёт устойчивости откосов

Этот расчёт производится в предположении, что грунтовый массив обрушения в теле грунтовой плотины ограничивается круглоцилиндрической поверхностью и разделён на отсеки обрушения вертикальными плоскостями, а также в предположении плоской деформации на участке плотины толщиной 1 м. Условием устойчивости откоса является то, что коэффициент надёжности (коэффициент устойчивости), равный отношению суммы моментов реактивных сил к сумме моментов активных сил, будет превосходить рекомендуемую нормами величину, составляющую 1,25. При этом речь идёт о коэффициенте для наиболее опасной поверхности из множества рассматриваемых, т. е. наименьший коэффициент устойчивости. Таким образом расчёт сводится к подсчёту коэффициента устойчивости:

1) с помощью ЭВМ

2) вручную

1) В результате введения данных о плотине программа, сравнив большое количество коэффициентов устойчивости откоса по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения разных радиусов и с разными центрами, выдаёт координаты центра поверхности скольжения и её радиус для наименьшего коэффициента устойчивости (распечатка результатов прилагается).

2) Целью ручного счёта является проверка результатов счёта по определённой машиной поверхности по формуле:

где

коэффициент устойчивости откоса,

вес погонного метра i-го отсека,

взвешивающее противодавление,

см. рис.

i-е удельное сцепление

i-й угол внутреннего трения

длина подошвы i-го отсека

Результаты ручного счёта удобно представить в табличной форме:

	S	?	G	?	Wвзв.	(G-Wвзв.)/b	?i	ci	cos?	sin?	Числ.	Знамен.
1	24,75	2,00	49,5	67	0	5,0	23	3	0,391	0,921	38,21	45,56
2	152,5	2,05	312,6	55	0	31,3	40	0	0,574	0,819	150,46	256,09
3	217,5	2,05	445,9	45	0	44,6	37	0	0,707	0,707	237,58	315,28
4	245	2,05	502,3	35,5	0	50,2	36	0	0,814	0,581	297,08	291,66
5	245	2,05	502,3	28	0	50,2	36	0	0,883	0,469	322,19	235,79
6	с водой	475,1	20	37,5	43,8	38	0	0,940	0,342	321,27	162,49
7	с водой	433,1	13	70	36,3	38,5	0	0,974	0,225	281,42	97,43
8	с водой	330,6	7	90	24,1	42	0	0,993	0,122	215,02	40,29
9	100	2,30	230	1	100	13,0	45	0	1,000	0,017	129,98	4,01
10	с водой	124,4	-7	31,5	9,3	0	0	0,993	-0,122	0,00	-15,16
11	60	1,00	60	-17	0	6,0	0	0	0,956	-0,292	0,00	-17,54
12	55	1,00	55	-23	0	5,5	0	0	0,921	-0,391	0,00	-21,49
										??	1993,2	1394,4
										Kуст	=	1,43



Глава 2. Гидравлический расчёт пропуска строительных расходов

2.1 Схема пропуска строительных расходов

В связи с тем, что основание проектируемого сооружения складывается сиенитом (т.е. основание скальное), то из 2-х видов водосбросов, трубчатого и туннельного, выбираю туннельный водосброс.

Так как высота плотины меньше 100 м, максимальный паводковый расход больше 800 м3/с, то по рекомендациям, данным в конспекте лекций, принимаю строительный туннельный водосброс с возможностью его использования в качестве основного в эксплуатационный период.

Выбор трассы водосброса проведён на топографическом плане с учётом правила максимального угла поворота (600), и длина его составляет 340 м. Толщина бетонной облицовки тоннеля в данном курсовом проекте не подбирается. Уклон дна туннеля принимаю равной 0,003.

2.2 Расчёт пропуска первого строительного паводка

Если бы не предполагалось использование строительного водосброса в эксплуатационный период, то диаметр туннеля выбирался бы из расчёта пропуска строительного паводка, но т.к. было принято решение о необходимости его дальнейшей (послестроительной) эксплуатации, то после вычисления диаметра туннеля в расчёте пропуска строительного паводка, необходимо проверить возможность пропуска паводка эксплуатационного.

Дано:

расчётный расход при строительном паводке,

высота верховой перемычки,

,

,

,

Вычисления:

,- формула пропускной способности напорного водосброса, где

расход,

коэффициент расхода,

площадь поперечного сечения туннеля,

действующий напор.

Принимаю в 1-м приближении .

,

Проверим возможность пропуска эксплуатационного паводкового расхода:

где

- суммарный коэффициент сопротивления

- на входе,

-на выходе,

- на повороте, где угол поворота, а

,где

радиус поворота,

диаметр туннеля,

- коэффициент гидравлического трения (формула Прандтля), где

- относительная шероховатость, где

,- эквивалентная шероховатость

, где

смоченный периметр,

по длине,

на пазах затворов (принимаю паз 1x1м)

Вычисления:

,

,

,

,

,

,

,

- следовательно туннель, подобранный по расчёту пропуска строительного паводка паводок эксплуатационный не пропустит.

Принимаю 2 туннеля диаметром 6 м.

Проверим возможность пропуска эксплуатационного паводкового расхода:

,

,

,

,

,

,

,

Теперь, задавшись диаметром туннелей, можно решить обратную задачу, т.е. найти высоту перемычки.

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

2.4 Расчёт пропуска расхода перекрытия

Задача расчёта - подобрать уклон дна водосброса из условия

Пропуск расхода перекрытия буду осуществлять через 1 туннель.



1) Т.к. в расчёте движение потока принимается равномерным, то глубина потока м.б. выражена из формулы расхода при равномерном движении жидкости , . Выразив через и из полученного выражения саму через себя, я получил формулу:

,

В 1-м приближении принимаю ,

=> .

2) перепад уровней:

- - на входе,

- - в туннеле,

- - на выходе (принимаю равным нулю, что даёт дополнительный запас).

, где

коэффициент скорости,

- скорость течения в водосбросе при глубине ,

- скорость подхода потока.

берётся с геологического разреза,



Глава 3. Паводковый водосброс и водовыпуск

В качестве эксплуатационного водосброса был принят строительный.

3.1 Расчёт сопряжения бьефов

Целью данного расчёта является вычисление глубины водобойного колодца, предназначенного для затопления гидравлического прыжка за водосбросом. Оный колодец будет расширяющимся, т.е. его боковые стенки будут максимально повторять очертания расходящегося после водосброса потока.

1) Определение угла расширения потока:

, где

угол естественного расширения потока,



, где

расход, проходящий через 1 туннель.

,

,

,

Принимаю угол расширения колодца

2) Определяю радиус, соответствующий 1-й сопряжённой глубине:

3) Нахожу длину прыжка в расширяющемся русле:

, где

4) Определяю радиус, соответствующий 2-й сопряжённой глубине:

5) Нахожу значение прыжковой функции для 1-й сопряжённой глубины:

, где

6) Определяю 2-ю сопряжённую глубину в расширенном русле:

Используя программу Microsoft Excel, методом последовательных приближений получаю, что ,т.е. .

7) Нахожу глубину водобойного колодца в расширяющемся русле:

=> водобойный колодец не нужен.



3.1 Расчёт водовыпуска

Для того чтобы пропускать малые расходы, например расход при спуске воды из водохранилища, необходимо открывать затвор на очень небольшую величину, порядка нескольких см. Поэтому помимо основного водосброса строятся дополнительные бетонные или металлические водовыпуски (водоспуски) малого диаметра. Схема представлена на рисунке:

Водовыпуск рассчитывается на пропуск расхода полезного попуска .

,

1-е приближение:

2-е приближение:

,

,

,

,

,

,

,



Заключение

В результате проделанных вычислений была спроектированна грунтовая каменно-земляная плотина с упорными призмами из горной массы и ядром из суглинка:

С заложениями верхового и низового откосов 1,5

С коэффициентом устойчивости откоса 1,31

Высотой 59 м

С фильтрационном расходом в ядре плотины

С водосбросом в виде двух туннелей диаметром 6 м.

С высотой перемычки в строительный период

Без водобойного колодца

С водовыпуском диаметром 0,87 м

С шириной по гребню 12 м

С шириной подошвы 192 м

С длиной створа 422 м.

Размещено на Allbest.ru

...