Проектирование природоохранного гидроузла IV класса капитальности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВО

Факультет: Природопользования и строительства

Кафедра: Природообустройства строительства и гидравлики

Специальность: Природообустройство и водопользование

Курсовой проект

Проектирование природоохранного гидроузла iv класса капитальности

Форма обучения: очная

Курс, группа: ПРО-401

Руководитель:

проф., д.т.н., Хафизов А.Р.

Оглавление

Введение

1. Описание компоновки гидроузла

2. Выбор створа и типа плотины

3. Проектирование плотины

3.1 Определение высоты плотины

3.2 Конструирование поперечного профиля плотины

3.3 Расчет крепления откосов

3.4 Противофильтрационные и дренажные устройства

3.5 Фильтрационные расчеты

3.6 Фильтрационная прочность грунтов тела плотины и ее основания

3.7 Расчет устойчивости откосов

3.8 Осадка тела и основания плотины

Заключение

Библиографический список

Введение

гидроузел плотина откос устойчивость

Плотины из грунтовых материалов (земляные насыпные, земляные намывные, каменно-земляные и каменно-набросные) - наиболее распространенный тип водоподпорных сооружений - входят в состав большинства гидроузлов мелиоративного назначения. Для возведения плотин используют, как правило, местные грунты. Конструктивные решения поперечного профиля должны обеспечивать устойчивость плотины и ее основания при всех возможных условиях строительства и эксплуатации, а также нормальную работу противофильтрационных и дренажных устройств и всего сооружения в целом. Грунтовые плотины можно классифицировать по используемым материалам на земляные, в которых основной объем тела плотины выполняется из мелкозернистых глинистых, песчаных или песчано-гравелистых грунтов; каменно-земляные, в которых основной объем тела плотины выполняется из крупнозернистых гравийно-галечниковых грунтов или горной массы скального грунта, а противофильтрационное устройство выполняется из мелкозернистого грунта; каменные, в которых основное тело плотины, как и в случае каменно-земляных плотин, выполняется из крупнозернистого материала, а противофильтрационное устройство, если оно требуется, из негрунтовых материалов.

Согласно /4/, при проектировании плотин III и IV классов из грунтовых материалов необходимо выполнять следующие основные расчеты: фильтрационные, фильтрационной прочности, обратных фильтров, дренажей и переходных зон, устойчивости откосов, экрана и защитного слоя, осадок тела плотины и основания, креплений откосов на прочность от действия волн, льда и др.

1. Описание компоновки гидроузла

В состав сооружения гидроузла входят: плотина из песка, противофильтрационное устройство в теле - экран, в основании - замок длиной 4 м и шириной по гребню- 3 м, водоспуск для подачи воды в технических целях и открытый поверхностный водосброс для сброса излишних паводковых вод. Взаимное расположение этих сооружений определяется топографическими, геологическими и гидрологическими условиями.

У плотины коэффициенты заложения откосов составляют: у верхового - 2,50 низового - 2,25 Крепление верхового откоса осуществляется каменной наброской, низового посевом трав.

2. Выбор створа гидроузла и типа плотины

Выбор створа и типа плотины, а также методов ее возведения относится к наиболее ответственным вопросам проектирования, от решения которых в конечном итоге зависят сроки и стоимость строительства, а также надежность эксплуатации сооружений гидроузла. Правильное решение этих вопросов возможно только на основе комплексного учета всех условий строительства и эксплуатации гидроузла.

Створ плотины выбирают путем технико-экономического сопоставления возможных вариантов на основании данных о топографических, геологических, гидрогеологических, гидрологических, климатических условиях района строительства. При выборе створа учитывают:

- наличие вблизи створа пригодных для возведения плотины грунтовых материалов в достаточном количестве и возможность использования материала из полезных выемок;

- возможность рациональной компоновки в створе всех постоянных и временных сооружений;

- форму створа, условия подготовки основания и сопряжения с ним тела плотины;

- возможность включения верховой перемычки, перекрывающей русло реки в строительный период, в тело плотины;

- условия пропуска через створ строительных расходов, а также, если это необходимо, судов, рыбы, леса и другие специальные требования к проектируемому гидроузлу;

- наличие подъездных путей к району строительства и местных производственных баз;

- возможность прокладки дорог непосредственно к створу плотины и по ее гребню, исходя из назначения дорог в строительный и эксплуатационный периоды;

- условия производства работ при разработке грунта в карьере, транспортировании его к месту строительства и укладке в тело плотины.

Выбор типа плотины, прежде всего, зависит от наличия тех или иных материалов в близлежащих карьерах и максимального использования материалов из полезных выемок. Суглинки лучшие в противофильтрационном смысле материалы для возведения земляной плотины. При их наличии земляную плотину устраивают чаще всего однородной. Если же суглинков нет, то плотину возводят из имеющихся на месте проницаемых грунтов (пески, супеси, песчано-гравелистые грунты и др.). Для предупреждения фильтрации в теле плотины в этом случае предусматривают противофильтрационные элементы в виде ядра, экрана или диафрагмы. При этом противофильтрационные элементы из негрунтовых материалов рекомендуется применять лишь в том случае, если на месте строительства нет пригодных для этих целей грунтов. При большой мощности водопроницаемого основания целесообразно устройство плотины.

В случае сильнодеформируемого основания следует отдавать предпочтение плотинам однородным или с ядром, избегая применения плотин с грунтовыми экранами и тем более с негрунтовыми противофильтрационными элементами, которые значительно чувствительнее.

При неблагоприятных климатических условиях (большое количество атмосферных осадков, продолжительный морозный период) целесообразно возводить однородные плотины из несвязных грунтов.

Таким образом, в условиях нескального основания следует отдавать предпочтение плотинам из однородного грунта, плотинам с ядром или грунтовым экраном. При возведении плотины очередями рекомендуется применять однородные плотины, а также плотины с экраном или с водонепроницаемой верховой призмой.

3. Проектирование плотины

Один из основных вопросов проектирования плотины из грунтовых материалов - определение устойчивого и экономически выгодного ее профиля. Размеры поперечного профиля зависят от типа плотины, ее высоты, характеристик грунта тела плотины и ее основания, а также условий строительства и эксплуатации.

Гребень плотины конструируют из условий производства работ и эксплуатации плотины. Прежде всего, необходимо обеспечить проезд транспорта и сельскохозяйственной техники. Поэтому ширину гребня принимают в зависимости от категории дороги, но не менее 4,5 м.

Откосы плотины должны быть устойчивыми во время ее строительства и эксплуатации при воздействии статических и динамических нагрузок, фильтрации, капиллярного давления, волн и т.п. При высоте насыпи плотин от 15 до 50 м коэффициенты заложения верхового откоса принимают в пределах 3...4, а низового - 2,5…5.

3.1 Определение высоты плотины

Высоту плотины назначают с превышением d над расчетным уровнем воды в водохранилище, гарантирующем отсутствие перелива воды через гребень и равным:

(1)

где ?h -- высота ветрового нагона воды, м;

h_H -- высота наката волн на откос плотины, м;

а -- конструктивный запас, принимаемый как большее из значений 0,5 м и 0,l h_1%;

0,1 h_1% -- высота волны 1%-ной вероятности превышения.

Расчеты по формуле следует проводить для двух расчетных случаев:

1) уровень воды на отметке НПУ или выше него (основное сочетание нагрузок и воздействий);

2) уровень воды на отметке ФПУ при пропуске максимального поверочного расхода воды (особое сочетание нагрузок и воздействий).

Расчетную скорость ветра в первом случае принимают 1%-ной вероятности превышения, наблюдаемую в течение года, а во втором -- 50%-ной вероятности превышения, наблюдаемую во время форсировки уровня. При определении элементов ветровых волн и ветрового нагона согласно СНиП 2.06.04-82 следует принимать вероятность превышения шторма для сооружений I, II класса 2% и III, IV -- 4%.

Высоту ветрового нагона определяют по зависимости:

(2)

где К_в - коэффициент, зависящий от скорости ветра;

W - расчетная скорость ветра на высоте 10 м над уровнем воды, м/с;

D - длина разгона ветровой волны, м;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

Н - условная расчетная глубина воды в водохранилище;

а_в - угол между продольной осью водоема и направлением господствующих ветров, град.

Расчет по формуле (2) проводят по известным значениям W, D, Н и а_в, первоначально полагая значение h, стоящее в знаменателе, равным нулю ввиду его малости по сравнению с величиной Н.

нпу=

фпу

Высота наката ветровой волны для 1%-ой вероятности: превышения расчетного шторма вычисляют по формуле:

(3)

Высоту волны 1%-ой вероятности превышения определяют в такой последовательности. Сначала ведут расчет по НПУ.

1. Вычисляют безразмерные комплексы

и , (4)

где t -- продолжительность действия ветра, принимаемая при отсутствии фактических данных 6 ч=21 600 с.

2. По графику для каждого из найденных комплексов определяют значения относительных параметров и :

- для =6048 ,

- для =4,88 ,

3. Из найденных двух пар значений параметров выбирают наименьшие и из них устанавливают среднюю высоту волны и средний период волны , т.е. , :

4. Вычисляют среднюю длину волны

(5)

5. Высоту волны 1%-ной вероятности превышения определяют по формуле:

(6)

где K_i - коэффициент, устанавливаемый по графику (рис. 4) при 1%-ной вероятности превышения в зависимости от значения безразмерного комплекса gD/W².

Коэффициенты К_? и К_нп зависят от типа и относительной шероховатости крепления откоса, их принимают по таблице 3.5 /3/.

Характерный размер шероховатости следует принимать равным среднему диаметру камня при каменной наброске или среднему размеру бетонных, железобетонных блоков. При креплении откоса каменной наброски средний диаметр камня предварительно принимают в пределах 0,2 ... 0,3 м.

Значения коэффициента Кс определяют по таблице 3.6|3| в зависимости от скорости ветра и коэффициента заложения откоса.

Коэффициент К_в принимается в зависимости от угла р подхода фронта волны к плотине (в=47°. K_в = 0,835).

Значение коэффициента К_нг определяют по графикам (рис. 3.4 /3/). Для пользования ими предварительно устанавливают значение пологости волны К_нг=1,3.

Коэффициент К_нj учитывает вероятность превышения (%) по накату.

j=1%, К_нj=1,0

Высота наката ветровой волны для 1%-ой вероятности:

Такой же расчет выполняем и для ФПУ.

1. Безразмерные комплексы:

2. По графику для каждого из найденных комплексов определяют значения относительных параметров и :

- для =10584 ,

- для =15,778 ,

3. Из найденных двух пар значений параметров выбирают наименьшие и из них устанавливают среднюю высоту волны и средний период волны , т.е. , :

4. Вычисляют среднюю длину волны

5. Высоту волны 1%-ной вероятности превышения:

Значения коэффициента Кс определяют по таблице 3.6/3/ в зависимости от скорости ветра и коэффициента заложения откоса.

Коэффициент К_в принимается в зависимости от угла в подхода фронта волны к плотине (в= 48°. K_в = 0,83).

Коэффициент К_нj учитывает вероятность превышения (%) по накату.

j=1%, К_нj=1,0

Высота наката ветровой волны для 1%-ой вероятности:

Далее сравниваем получаемые отметки гребня плотины при НПУ и ФПУ:

Итак, отметку гребня плотины принимаем равной z_гр=114,029. В связи с условием промерзания высота плотины будет равна 7,4 м.

3.2 Конструирование поперечного профиля плотины

Гребень плотины конструируют из условий производства работ и эксплуатации плотины. Прежде всего, необходимо обеспечить проезд транспорта и сельскохозяйственной техники. Поэтому ширину гребня принимают в зависимости от категории дороги, но не менее 4,5 м (/4/). В настоящем варианте гребень непроезжий дороги ширина гребня плотины принимается, исходя из таблицы 3.1 /3/ равной 5 м.

bгр = 5 м.

В поперечном направлении дороге придают двусторонний уклон, принимая его равным при асфальтобетонном покрытии 1,5%, при булыжном или грунтовом покрытии -- 3%. Обочинам обычно придают несколько больший уклон. В пределах обочин в соответствии с /4/ устраивают ограждения в виде надолб, низких стенок или парапетов.

Если гребень плотины делают из глинистых грунтов, то во избежание его пучения при морозах предусматривают защитный слой из песчаного или гравийного грунта (щебня). Толщину защитного слоя, включая толщину покрытия дороги, следует назначать не менее глубины сезонного промерзания в данном районе.

Откосы плотины должны быть устойчивыми во время ее строительства и эксплуатации при воздействии статических и динамических нагрузок, фильтрации, капиллярного давления, волн и др. Коэффициенты заложения откосов предварительно назначают по рекомендациям, а также опыту строительства и эксплуатации плотин-аналогов; затем их устойчивость проверяют специальным расчетом. Ориентировочные значения заложения откосов земляных насыпных плотин при прочности грунтов в основании не меньшей, чем в теле плотины.

Исходя из всего этого, коэффициент заложения верхового откоса принимаем равным 2,5 а низового - 2,25

m₁= 2,5; m₂= 2,25

Тогда ширина основания плотины будет:

3.3 Расчет крепления откосов

Для защиты верхового откоса земляной плотины от разрушающего воздействия ветровых волн, льда, течения воды, атмосферных осадков и других факторов рекомендует крепление следующих видов: каменное, бетонное и железобетонное, асфальтобетонное,

Крепление верхового откоса делится на основное и облегченное. Верхней границей основного крепления обычно служит гребень плотины. Нижнюю границу основного крепления принимают на глубине h = 2h_1%, считая от наинизшего уровня воды в водохранилище (обычно УМО). В то же время эта граница должна быть не выше наинизшего уровня, уменьшенного на 1,5t, где t - расчетная толщина льда в водохранилище. Нижняя граница облегченного крепления определяется условиями неразмываемости грунта плотины течением или волнами.

Поэтому нижнюю границу облегченного крепления принимаем равной 4 м ниже уровня УМО.

Под креплением из каменной наброски предусматривают однослойную подготовку из щебенистого материала с коэффициентом неоднородности = 5... 20. Толщину подготовки принимают в зависимости от высоты волны, но не менее 35 см.

Бетонные и железобетонные крепления выполняют в виде монолитных или сборных плит. Сборные плиты делают размером 2*2 м толщиной 0,1 м, массой одной плиты 1 т, плиты объединяем в карты размером 8*8 м путем омоноличивания швов. В нижней части крепления предусматриваем упор в виде бетонного массива размерами 0,80*0,40 м. Низовой откос покрываем слое растительного грунта толщиной 0,2 м с посевом трав.

Расчетную толщину определяют по формуле:

Q= в/, (7)

где - плотность воды, камня, т/м³;

h и - высота и длина волны, м;

m₁ - коэффициент заложения верхового откоса.

При этом имеем:

м

Зная массу камня, его диаметр, приведенный к диаметру шара, можно определить следующим образом:

, (8)

D_ш =м

Толщину крепления откоса камнем принимают не менее 3D_ш,85,где D_ш,85 - крупность камня приведенная по его объему к шару.

3D_ш,85 = 3*0,156 = 0,46 м

Низовой откос покрываем слоем растительного грунта толщиной 0,2 м с посевом трав.

3.4 Противофильтрационные и дренажные устройства

Противофильтрационные устройства проектируют из грунтовых и негрунтовых материалов. Конструктивно их выполняют в виде экрана, понура, ядра, диафрагмы, зубьев, шпунтовых стенок, траншейных шпор, инъекционных завес и др.

Для земляных насыпных плотин толщину грунтового экрана и ядра поверху назначают из условия производства работ, но не менее 0,8 м с постепенным утолщением книзу.

Согласно /4/, дренаж проектируют в следующих целях: организованного отвода воды, фильтрующейся через тело и основание плотины в нижний бьеф; предотвращения выхода фильтрационного потока на низовой откос и в зону, подверженную промерзанию; экономически обоснованного снижения депрессионной поверхности для повышения устойчивости низового откоса (внутренний дренаж); повышения устойчивости верхового откоса при быстрой сработке водохранилища, а также для снятия порового давления, возникающего при сейсмических воздействиях; отвода воды, профильтровавшейся через экран, ядро. Итак, толщину экрана поверху принимаем равной 1 м, понизу - 3 м. За материал экрана принимаем суглинок. При проектировании противофильтрационных устройств обеспечиваем их сопряжение друг с другом, с основанием по подошве и в береговых примыканиях, то есть создаем сплошную противофильтрационную завесу. За противофильтрационное устройство в основании плотины принимаем замок. Замок принимаю ширину по верху равной 3 м, а по низу - 1 м. Общая высота замка равна 4 м.

При проектировании дренажа необходимо учитывать физические характеристики грунтов тела и основания плотины, их суффозионность и условия фильтрации в области дренажа. Размеры дренажных устройств определяют из условий, исключающих кольматаж грунта в области дренажа. На контакте дренажа с телом и основанием плотины обычно предусматривают обратный фильтр.

Выбор параметров дренажного банкета принимаю исходя из /4/. Превышение гребня дренажного банкета hдр (при отсутствии наслонного дренажа) над максимальным уровнем нижнего бьефа следует определять с запасом на волнение, но не менее 0,5 м. Ширину банкета поверху назначают из условий производства работ, но не менее 2 м. Глубина промерзания для данного района равна 1,8м, ей соответствует значение hдр=1,8м, а bдр принимаю равной 2м.

3.5 Фильтрационные расчеты

В соответствии со /4/ фильтрационные расчеты следует выполнять для определения фильтрационной прочности тела плотины, ее основания и берегов; расчета устойчивости откосов плотины и берегов; обоснования наиболее рациональных и экономичных форм, размеров и конструкций плотины, ее противофильтрационных и дренажных устройств.

В ходе выполнения расчетов определяют положение депрессионной кривой, фильтрационный расход воды через тело плотины и ее основание, скорости и градиенты напора фильтрационного потока в теле плотины, основании, а также в местах выхода фильтрационного потока в дренаж, в нижний бьеф, в местах контакта грунтов с различными характеристиками и на границах противофильтрационных устройств. Для ответственных сооружений положение депрессионной поверхности и другие параметры определяют также и в берегах - в зоне движения обходного фильтрационного потока. Ввиду сложности теоретических решений параметры фильтрационного потока в берегах зачастую устанавливают специальными лабораторными исследованиями.

Способы и схемы фильтрационных расчетов с большой надежностью разработаны для плотин, расположенных на водонепроницаемом основании. Под водонепроницаемым понимают такое основание, коэффициент фильтрации которого по сравнению с коэффициентом фильтрации плотины настолько мал, что может быть приравнен нулю. Ниже рассмотрены только некоторые из них применительно к плотинам с экраном и понуром. В приближенном методе расчет ведут при двух независимых предположениях. Вначале считают, что плотина водопроницаема, а основание водонепроницаемо, и для этой схемы определяют фильтрационный расход через тело плотины q_T и строят кривую депрессии. Затем принимают схему, в которой плотину считают водонепроницаемой, а основание водопроницаемым.

В случае дренированных плотин размер В_пл принимают равным расстоянию от подошвы верхового откоса до начала дренажа.

При построении кривой депрессии участок ее примыкания к реальному верховому откосу исправляют визуально так, чтобы участок был перпендикулярен откосу в точке его пересечения с уровнем воды в верхнем бьефе и затем плавно переходил в депрессионную кривую.

Однородная плотина с экраном на водонепроницаемым основании. Особенность данного случая состоит в том, что воды в нижнем бьефе нет. Фильтрационное уравнение при этом имеет вид:

L_p - ширина эквивалентного профиля плотины по основанию:

= (10)

где в - коэффициент учитывающий крутизну верхового откоса, определяемый по формуле Г.К. Михайлова:

(11)

Величину захода депрессионной кривой в дренаж определяют по зависимости:

,

Ордината кривой депрессии

(12)

Расход фильтрационного потока через тело плотины q_T определяют по зависимости:

(13)

где К_T - коэффициент фильтрации тела плотины.

Кривую депрессии строят по уравнению:

(14)

Задаваясь не менее 6 раз значениями х в диапазоне от х=?L до х= Lp - m₂h₁. при выходе на низовой откос:

Для расчета плотины применяем виртуальный метод, в котором ядро с заданными размерами и коэффициентом фильтрации К_я заменяют приведенным ядром призматической формы с коэффициентом фильтрации К_Т. Плотина тем самым приводится к эквивалентной по фильтрационным свойствам однородной плотине.

Находим среднюю толщину ядра

, (17)

где д₁ и д₂ - толщина ядра поверху и понизу.

Определяем приведенную (виртуальную) толщину эквивалентного ядра:

, (18)

;

Вычисляют приведенную ширину гребня плотины:

(19)

Расход фильтрационного потока через тело плотины равна:

Кривую депрессии строят по уравнению (14), задаваясь не менее 6 раз значениями х в диапазоне от х=2,4 до х=91,05

Расчет сводим в таблицу.

Таблица 1. определение координат депрессионной кривой

X, м	2,4	10	20	40	60	80	91,05
У, м	5,92	5,66	5,31	4,51	3,54	2,19	0,7

По полученным точкам на поперечном профиле плотины строим кривую депрессии.

Скорость фильтрации при выходе фильтрационного потока на низовой откос или входе в дренаж составляет:

3.6 Фильтрационная прочность грунтов тела плотины и ее основания

Фильтрационную прочность тела плотины и противофильтрационных устройств оценивают на основе соответствующих расчетов и экспериментальных исследований грунтов при действующих в сооружении градиентах напора. При этом учитывают напряженно-деформационное состояние плотины и ее основания, особенности конструкции плотины, а также методы ее возведения и условия эксплуатации. При выполнении расчета фильтрационной прочности напор, действующий на плотину, принимают равным его наибольшему значению.

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

, (20)

где 1^ср - действующий средний градиент напора в расчетной области фильтрации;

1_к^ср - критический средний градиент напора;

К_н - коэффициент надежности по ответственности сооружения, принимаемый в зависимости от класса сооружений.

Проверку выполнения условия следует проводить для всех возможных зон возникновения фильтрационных деформаций (в теле плотины, ее основании, в местах выхода фильтрационного потока в нижний бьеф и в дренаж, в местах контакта грунтов с различными характеристиками, в противофильтрационных устройствах и на их границах).

Действующий средний градиент напора в основании плотины:

, (21)

где n - поправочный коэффициент /1/.

Значение фактического градиента при выходе фильтрационного потока на низовой откос определяют по формуле (16).

Для однородной плотины с дренажем действующий средний градиент в теле плотины:

(22)

где б - угол наклона депрессионной кривой.

Для ядра из грунтовых материалов действующий градиент вычисляют по формуле:

 (23)

где h_n - потери напора в противофильтрационном элементе;

дср - средняя толщина ядра.

Значения критического градиента следует устанавливать на основании исследований грунтов в условиях, отвечающих реальным ситуациям эксплуатации плотины. В предварительных расчетах и при отсутствии необходимых исследований значения I_к^ср могут быть приняты по таблице 3.7./2/:

При использовании ее данных необходимо учитывать физико-механические свойства грунта и способы его укладки, назначая большее значение I_к^ср для более плотного грунта.

Если условие, выполняется не для всех возможных зон возникновения фильтрационных деформаций, то необходимо уточнить принятые конструктивные решения плотины (размеры плотины и противофильтрационных элементов, местоположение дренажа и пр.) так, чтобы обеспечивалась фильтрационная прочность грунтов.

Производим расчет фильтрационной прочности грунтов тела, ядра плотины и ее основания, а также сопряжения плотины с основанием.

Действующий средний градиент напора в основании плотины:

0,129 < 1,18

Итак, фильтрационная прочность грунтов основания соблюдается.

Для ядра из грунтовых материалов действующий градиент вычисляют по формуле:



1,4 < 1,18

Условие фильтрационной прочности для ядра выполняется.

Для однородной плотины с дренажем действующий средний градиент в теле плотины:

0,122< 1,18 Условие фильтрационной прочности для ядра и основания выполняется.

3.7 Расчет устойчивости откосов

В курсовом проекте выполняем проверку устойчивости низового откоса. При проверке устойчивости верхового откоса в качестве основной расчетной принимают схему, когда наблюдается максимально возможное снижение уровня воды в водохранилище от НПУ с наибольшей возможной скоростью, при этом учитывают фильтрационные силы неустановившейся

При использовании метода круглоцилиндрических поверхностей сдвига выполняют следующие основные операции.

1. Строят область нахождения центров поверхностей сдвига.

2. Проводят круглоцилиндрические поверхности сдвига.

3. Вычисляют значения коэффициентов устойчивости откоса для множества поверхностей сдвига по формуле:

 (29)

где R, F - равнодействующие моментов сил сопротивления сдвигу и активных сил относительно оси поверхности сдвига.

4. Определяют минимальное значение коэффициента устойчивости Kmin.

5. Делают вывод об устойчивости откоса и правильности принятого его заложения. Откос считается устойчивым, если

(30)

где Кн - коэффициент надежности по ответственности сооружения /1/;

Кс - коэффициент, зависящий or сочетания нагрузок и равный для основного сочетания - 1,0; для особого сочетания - 0,9; для строительного периода - 0,95; Км - коэффициент, равный 0,95 при упрощенных методах расчета и 1,0 - при удовлетворяющих условиях равновесия.

Проектируемая в данном курсовом проекте плотина имеет следующие параметры:

- Пористость грунта n = 0,20;

- Удельная плотность частиц тела плотины_г.т. = 2,70 т/м³;

- Удельная плотность частиц основания плотины_г.о. = 2,70 т/м³;

- Удельное сцепление грунта естественной влажности с₁ = 0,5 кПа;

- Угол внутреннего трения грунта естественной влажности = 30°;

- Удельное сцепление грунта насыщенного водой с₂ = 0,3 кПа;

- Угол внутреннего трения грунта насыщенного водой ₂= 27°;

В основании залегает песок (n = 0,20; _г.т. = 2,70 т/м³); В насыщенном состоянии они имеют те же характеристики, что и в ненасыщенном: = 25°; с₃ =0,2 кПа;

Один из наиболее простых методов - метод построения области нахождения центров поверхностей сдвига В. В. Фандеева, в котором рекомендуется центры круглоцилиндрических поверхностей сдвига располагать в криволинейном четырехугольнике, образованном следующими линиями, проведенными из середины откоса: вертикалью и прямой под углом 85° к откосу, а также двумя дугами радиусов:

и , (31)

где К₁ и К₂ -- коэффициенты внутреннего и внешнего радиусов, определяемые в зависимости от заложения откоса.

К₁ =0, 812;

К₂ =2,02;

Проводим кривую сдвига, центр которой располагаем в построенном криволинейном четырехугольнике. Радиус этой кривой R = 17,7 м.

Значения коэффициента устойчивости откоса для некоторой кривой сдвига вычисляют для 1 м длины плотины в такой последовательности.

1. Область, ограниченную кривой сдвига и внешним очертанием плотины (массив обрушения), разбивают вертикальными прямыми на отсеки шириной b. При расчете «вручную» удобно величину b принимать равной 0,1R, центр нулевого отсека размещать под центром кривой сдвига, а остальные отсеки нумеровать с положительными знаками при расположении их вверх по откосу и с отрицательными -- вниз к подошве плотины, считая от нулевого.

Середина нулевого отсека располагается под центром кривой сдвига.

2. Для каждого отсека вычисляют sin а и cos а, где а - угол наклона подошвы отсека к горизонту. При b = 0,1R значение sin a = 0,1N, где N - порядковый номер отсека с учетом его знака;

(32)

Определяют средние высоты составных частей каждого отсека, имеющих различные плотности: h₁ - слоя грунта тела плотины при естественной влажности; h₂ - слоя грунта тела плотины при насыщении водой; h₃ - слоя грунта основания при насыщении водой; h₀ - слоя воды.

В качестве средних высот принимают высоты частей, замеренные по чертежу в середине отсека. При наличии по краям массива обрушения неполных отсеков их эквивалентная средняя высота:

, (33)

где - площадь неполного отсека, определяемая графически.

Вычисляют плотность грунта каждого слоя по формулам:

(34)

(35)

(36)

где ₁, ₂ , ₃ - плотность грунта тела плотины при естественной влажности и при насыщении его водой, а также грунта основания при насыщении водой;

n - пористость грунта, n=0,2;

k - коэффициент, зависящий от влажности грунта (при влажности, равной 12... 18%, k = 1.12... 1,18);

₀ - плотность воды;

_г.т., _г.o. -удельная плотность частиц грунта тела и основания плотины.

т/м³

т/м³

т/м³

5. Определяют приведенные высоты отсеков

, (37)

где h₀ -- глубина слоя воды над отсеком.

Весь предыдущий расчет сводим в таблицу 2.

Таблица 2. Определение действующих сил

№ отсека	sin	cos	h1,м	h2,м	h3, м	hпр,м	hпр*sin,м	, град	hпр* cos*tg,м
8	0,8	0,6	1,4	0	0	1,4	1,12	30	0,524
7	0,7	0,714	3,4	0	0	3,4	2,38	30	1,514
6	0,6	0,8	4,3	0	0	4,3	2,58	30	2,146
5	0,5	0,86	4,4	0,1	0	4,45	2,225	27	1,795
4	0,4	0,916	3,8	0,9	0	4,3	1,72	27	1,835
3	0,3	0,953	3,2	1	0,4	3,98	0,366	25	1,474
2	0,2	0,979	2,6	0,8	0,9	3,55	0,71	25	1,404
1	0,1	0,994	2,0	0,5	1,2	2,95	0,295	25	1,184
0	0	1	1,8	0	1,3	2,53	0	25	1,022
-1	-0,1	0,994	1,8	0	1,2	2,47	-0,247	25	0,991
-2	-0,2	0,979	0,3	0	1	0,86	-0,172	25	0,34
-3	-0,3	0,953	0	0	0,5	0,28	-0,084	25	0,107
У				9,8		10,893		14,336

6. Устанавливают силу трения, возникающую на подошве всего
массива обрушения, суммируя соответствующие силы по отсекам,

, (38)

Угол внутреннего трения зависит от вида грунта и его влажности в зоне кривой сдвига, при отсутствии фактических данных его принимают по таблице 3.8 /2/. Значениебудет постоянным на протяжении каждой составной части кривой сдвига, проходящей в грунте тела плотины выше кривой депрессии - ₁ в грунте тела плотины ниже кривой депрессии - ₂; в основании плотины - ₃.

7. Подобным же образом вычисляют касательную составляющую веса массива обрушения:

, (39)

8. Силу сцепления, возникающую на подошве массива обрушения,
определяют по формуле:

, (40)

где с₁, с₂, с₃ -- удельные сцепления грунта тела плотины при естественной влажности и при насыщении водой, а также грунта основания, насыщенного водой (табл. 3.8);

1₁, 1₂, 1₃ -- длины дуг кривой сдвига, соответствующих удельным сцеплениям с₁ с₂, с₃, вычисляемые по формуле:

, (41)

где - центральный угол (град) круглоцилиндрической поверхности сдвига, опирающийся на дугу 1.

Углы ₁₂, ₃ при расчете «вручную» измеряют по чертежу.

₁=27°;

₂= 9°;

₃=44°;

9. Фильтрационную силу учитывают как объемную.

Для дренированных плотин (см. рис. 3.15,в /1/) определяют две составляющие фильтрационной силы.

Первую из них Ф₁ вычисляют по формуле Ф=, площадь в этом случае равна площади фигуры PМКТ, то есть до дренажа. Вторую составляющую, имеющую вертикальное направление, приближенно можно найти следующим образом:

, (42)

где -- площадь фигуры PBDP'.

10. Вычисляют значение коэффициента устойчивости откоса. Для плотин с дренажем формула имеет вид:

(43)

где r₁ и r₂ -- плечи фильтрационных сил Ф₁ и Ф₂.

Найденное значение коэффициента устойчивости превышает нормативное значение, равное 1,15, что свидетельствует о невозможности обрушения откоса по рассмотренной поверхности сдвига.

3.9 Осадка тела и основания плотины

Расчет осадки тела и основания плотины проводят для определения требуемого строительного подъема плотины, а также для уточнения объема работ по ее возведению. Его выполняют в характерных поперечных сечениях плотины по нескольким вертикалям, проходящим в элементах плотины из различных материалов (ядре, экране, призме и др.). При расчете осадок основания и тела плотины руководствуются СНиП II-16--76.

Согласно СНиП 2.06.05 - 84, для плотин III и IV классов расчет осадки допускается проводить по приближенным зависимостям. При этом можно применять табличные значения модулей деформации. Для приближенной оценки вертикальных деформаций гребня можно использовать эмпирические зависимости, предложенные различными авторами на основании обработки данных натурных наблюдений. В частности, размер конечной (стабилизированной) осадки ?h_cт и ее распределение во времени можно определять по эмпирическим формулам М. И. Гогоберидзе:

(44)

(45)

где Н_пл-- высота плотины, м;

t -- продолжительность осадки, лет.

м

м

Таблица 3. Распределение осадки по створу

Hпл	0,4	0,8	2,0	2,6	3,5	4,4	5,2	5,5	3,3	1,1
Пикет	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
hст	0,014	0,029	0,0786	0,104	0,1463	0,191	0,233	0,25	0,136	0,04

Таблица 4. Распределение осадки по времени

t,лет	1	2	3	5	10	15	20	30	40	50
ht	0,125	0,183	0,205	0,224	0,238	0,242	0,244	0,246	0,247	0,248

Из таблицы видно, что в течение 10 лет наблюдается равномерная осадка тела плотины и основания, затем осадка становится более равномерной.

Заключение

В ходе выполнения данного курсового проекта я ознакомился с компоновкой элементов гидроузла, изучил их устройство, а также приобрел навыки расчета и проектирования земляных плотин, в частности, таких ее элементов, как сама плотина, ее противофильтрационные элементы (в теле плотины - экран, в основании - замок), дренажные устройства, научился подбирать обратные фильтры. Также я ознакомился и сделал расчет устойчивости земляного откоса по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения на ЭВМ.

Библиографический список

1. Волков И.М. и др. Проектирование гидротехнических сооружений. - М: Колос, 1977.

2. Курсовое и дипломное проектирование по гидротехническим сооружениям, под редакцией B.C. Лапшенкова. - М.: Агропромиздат.

3. Рыбкин Н.Н. Плотины из грунтовых материалов. - М.: Стройиздат, 1983.

4. СНиП 2.01.05-84. Плотины из грунтовых материалов.

5. СНиП 2.06.04-82. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения.

6. ТП 820.1.023-86. Плотины земляные, насыпные, высотой до 15 ми крепленым верховым откосом.

7. Симаков Г.В. Сифонные водосбросы. - Ленинград: ЛПИ, 1974.

8. Железняков Г.В. и др. Гидрология, гидрометрия и регулирование стока. - М.: Колос, 1965.

Размещено на Allbest.ru

...