2. Проектирование и расчёт грунтовой плотины

Реферат…………………………………………………………………..…………

Введение……………………………………………………………………………

1. Общая характеристика……………..

2. Проектирование и расчёт грунтовой плотины

2.1 Конструирование поперечного профиля плотины………………

2.2 Фильтрационный расчёт плотины…………………………………

2.3 Расчёт устойчивости низового откоса плотины……………………

3. Проектирование и расчёт водосброса плотины

3.1 Гидравлический расчёт водоотводящего канала…………………

3.2 Гидравлический расчёт водосброса………………………………

3.3 Конструктивный расчёт водосброса……………………………..

3.4 Статический расчёт водосброса……………………………………

4. Проектирование и расчёт водоспуска…………………………………

5. Проектирование и расчёт водозабора…………………………………

Заключение…………………………………………………………………….

Литература…………………………………………………………………………

Реферат.

Пояснительная записка /Протасевич А.Н., гр. В-96-Брест, 2012-29-11; 1 лист графической части, 7 таблиц, 7 источника.

Ключевые слова: грунт, плотина, гребень плотины, водоупор, глубина промерзания, откос, коэффициент заложения, ядро, кривая депрессии, потеря устойчивости, водоспуск, водозабор, водосброс, бьеф, подводящий (отводящий) канал и др.

В курсовом проекте ставятся следующие задачи: проектирование грунтовой плотины из местных материалов и водопропускных сооружений. Каждая задача разделяется на несколько параграфов, таких как: общая характеристика природно-климатических условий района строительства, выбор створа гидроузла и компоновка сооружений, проектирование плотины из местных материалов, определение отметки гребня плотины, проектирование поперечного профиля плотины, фильтрационный расчет, статический расчет, расчет и проектирование водозабора, расчет и проектирование водоспуска, расчет и проектирование водосброса, гидравлический расчет подводящего (отводящего) канала, конструктивный и гидравлический расчет водосброса, статический расчет водосброса.

Введение.

Устройство водохранилищ предусматривает решение многих проблем: водных ресурсов не хватает на обеспечение водоемких производств, внутригодовое распределение стока не соответствует внутригодовому водопотреблению, борьба с вредным воздействием воды и т.д. Для устройства водохранилища проектируется гидроузел, в состав которого входит плотина и водопропускные сооружения. Плотина чаще всего проектируется из местных материалов. В состав водопропускных сооружений входят: водозабор, водоспуск, водосброс. Водозабор используют для постоянных пропусков воды в нижний бьеф, водоспуск устраивается для полного опорожнения водохранилища в целях ремонта плотины, или очистки дна водохранилища, водосброс предназначен для сброса излишков воды в период паводков.

1.Общая характеристика природно-климатических условий в районе строительства

Район строительства гидротехнических сооружений находится на реке Лань недалеко от села Локтыши.

Река Лань – река в Брестской и Минской областях, левый приток Припяти. Основные притоки слева: Бабка, Нача, Люта, справа: Цепра, Болванка.

Долина реки (ширина 1—1,5 км) покрыта смешанными лесами, заболочена, имеется сеть мелиорационных каналов

Длинна - 147 км, площадь бассейна - 2190 км², средний расход воды в устье - 11 м³/с, уклон реки 0.4 м/км. Река практически на всем протяжении канализирована, зарегулирована водохранилищем Локтыши. Ширина Лани в верхнем течении 4-8 метров, в нижнем до 20 метров, пойма шириной 0,6-1 км. Берега реки торфяные, местами песчаные и супесчаные, высотой 1-2 метра.

Климат – умеренно континентальный. Средняя температура в январе -5.3 С, в июле 19.4 С. Температура выше 10 С наблюдается 150-155 дней, ниже 0 температура не опускается на протяжении 240-250 дней. Сумма осадков за год от 650 до 750 мм.

Как отмечалось выше район строительства представлен супесчаными и глинистыми грунтами с физико-механическими характеристиками представленными в таблице 1.

Таблица 1. Физико-механические характеристики грунтов по створу водохранилищного гидроузла.

Наименование грунта	Мощность слоя, м	Относит. пористость	Плотность, кН/м^3	Объемная масса, кН/м^2	Угол внутр. трения	Сцепление на срез, кН/Чг	Коэфф. фильтра-ции, м/сут
Супесь	4,4	0,30	24,9	17,8		3,2	0,03
Глина	Неогр.	0,32	24,7	17,6		5,3	0,008

Ближайшими городами являются Клецк и Ганцевичи.

От Клецка до с.Локтыши 50 км. Через г.Клецк проходит железная дорога Барановичи -Слуцк, город связан догами республиканского значения с Несвижем и Ганцевичами.

Ганцевичи находятся в 33км от с.Локтыши. Через этот город проходит железная дорога Барановичи-Полесские –Лунинец, также имеется прямое автомобильное сообщение с г.Клецком и Логишиным.

2.Выбор створа гидроузла и компоновка сооружений

На положение створа плотины оказывают влияние следующие основные факторы:

1) топографические, определяющие длину плотины и ее высоту. При прочих равных условиях створ плотины располагают в наиболее узкой части водотока, нормально к горизонталям, что обеспечивает наимень­ший объем земляных работ;

2) инженерно-геологические, оцениваемые прочностными характе­ристиками грунтов, их напластованием и водопроницаемостью. Боль­шое значение имеет также водопроницаемость грунтов, слагающих ча­шу водохранилища, их взаимное расположение и падение пластов. Нужно подчеркнуть, что инженерно-геологическое строение грунтов, слагающих чашу водохранилища, и основания плотины нередко явля­ется решающим для выбора створа плотины;

3) гидрологические, связанные с решением вопроса о наполнении водохранилища и расходах, сбрасываемых в период половодья или па­водка в нижний бьеф;

4) расположение водосброса, которое существенно сказывается на стоимости узла и оказывает влияние на его эксплуатацию. Наиболее целесообразно выбирать створ плотины одновременно с трассировкой водосброса.

Компоновка гидроузлов включает выбор створа подпорных сооруже­ний, трасс судоходных, рыбопропускных и водосбросных сооружении, площадки для строительства поселков, производственной базы и др. При этом сопоставляют наиболее целесообразные в данных природных усло­виях варианты с определением для каждого из них наиболее рациональ­ного состава, типов и размещения сооружений.

Компоновка гидроузла должна всесторонне учитывать природные, производственно-строительные, общехозяйственные условия района стро­ительства, а также возможность использования существующих транс­портных и других коммуникаций- Особое внимание необходимо уделять геологическому строению участка, изменению бытовых гидрологических и гидрогеологических условий при создании подпора и, в частности, из­менению режима потока в верхнем и нижнем бьефах, заилению наносами водохранилища и переформированию русла реки и берегов в подходах к гидроузлу, подтоплению и заболачиванию территории, сохранению воз­можности разработки природных ресурсов в случае их затопления или подтопления, устойчивости береговых склонов в верхнем и нижнем бье­фах, условиям судоходства и лесосплава, рыбоводству и рыболовству, санитарной обстановке в зоне влияния гидроузла, возможным нарушениям работы систем водоснабжения и мелиорации, влиянию подпора на транспортные связи между берегами в районе гидроузла и водохра­нилища и возможности их улучшения.

Необходимо предусматривать сохранение природных условий (в том числе по возможности сохранять естественную растительность) и улуч­шение ландшафта в створе гидроузла, по трассе деривации, участку рас­положения напорно-станционного узла и в местах, имеющих мемориаль­ное значение.

Планировочные решения, размещение отвалов грунта и карьеров надлежит увязывать с окружающим ландшафтом. Генеральный план гидроузла следует увязывать с проектом развития района, в котором располагаются гидроузел, промышленные объекты, поселки строителей и эксплуатационников и новые жилые образования, с учетом магистра­лей, соединяющих этот комплекс с населенными пунктами, железно­дорожными станциями и портами, предусматривая возможность рас­ширения промышленных и жилых образований, возникающих в районе гидроузла.

При выборе компоновочного решения необходимо обеспечить наи­более рациональные условия производства строительных работ (удобство подъездов к гидроузлу, целесообразную трассировку строительных дорог, благоприятные гидравлические режимы в период пропуска стро­ительных расходов и временной эксплуатации, максимально возможное сбалансирование объемов выемок и насыпей с сокращением благодаря этому объема карьеров, резервов, отвалов и т. п.).

При организации и размещении строительного хозяйства и поселков следует иметь в виду необходимость обеспечения наибольших удобств для жителей и возможность последующего развития промышленного и гражданского строительства. При этом учитывается наличие населен­ных пунктов, объектов стройиндустрии и других предприятий, которые могут быть использованы при строительстве гидроузла, а также рас­положение строительной площадки по отношению к существующим подъездным путям и источникам энергоснабжения.

При сопоставлении вариантов компоновки гидроузла необходимо учитывать сроки и размеры затрат, необходимых по каждому варианту для первоочередного ввода объектов хозяйственного комплекса, а так­же выдачи мощности гидроэлектростанции на неполном напоре.

В водохранилищах, создаваемых с помощью грунтовых плотин, различают три уровня поверхности воды:

а) ФПУ – форсированный подпорный уровень,

б) НПУ – нормальный подпорный уровень,

в) УМО – уровень мертвого объема.

Отметки этих уровней вычисляем с помощью водохозяйственных расчетов:

где: Н₁ = 6,7 м. – глубина воды в верхнем бьефе,

Н₂ = 1,3 м. – глубина воды в нижнем бьефе,

Δh = 1,8 м. – глубина сработки водохранилища,

a – конструктивный запас по высоте плотины (принимаем равным 0,5 м.).

Состав проектируемого водохранилищного гидроузла: земляная плотина, ковшовый водосброс, водоспуск и водозабор.

При выборе створа гидроузла учитывают топографические условия поймы реки. Створ земляной плотины располагаем в наиболее узкой части речной долины, нормально к направлению горизонталям местности, что снижает объём строительных работ.

Ковшовый водосброс и водозабор располагаются в пойме реки, водоспуск – в наиболее низкой отметке речной долины. Это обусловлено назначением и конструкцией этих сооружений

Створ водопропускных сооружений направляем нормально к створу грунтовой плотины.

Входное отверстие водоспуска располагаем на отметке уровня воды в нижнем бьефе (УНБ), а входное отверстие водозабора – на отметке уровня мёртвого объёма (УМО). Отметка водосливной части ковшового водосброса принимается на отметке нормального подпорного уровня (НПУ).

2.1 Проектирование плотины из местных материалов

Земляной, а точнее, грунтовой плотиной называют водоподпорное сооружение, возводимое из однородных или неоднородных по механи­ческому составу грунтов. Поперечный профиль земляной плотины пока­зан на рис. 1, где даны также названия отдельных элементов ее.

Плотины из грунтов находят самое широкое применение в практике гидротехнического строительства. Они являются основным сооружением в водохранилищных гидроузлах, а также входят в состав речных гидро­узлов любого назначения, когда создается разность уровней бьефов. Значительное распространение получили земляные сооружения в водохозяйственном строительстве, особенно гидромелиоративного назначе­ния, при устройстве дамб обвалования, насыпей каналов и пр.

Основное и существенное преимущество земляных плотин состоит в том, что для их возведения используют местный строительный матери­ал—грунт. Получение этого материала связано с затратами только на вскрышных работах в карьерах, незначительными по сравнению с общей стоимостью сооружения.

Земляные плотины получили широкое распространение благодаря следующим их достоинствам:

1) возможность возведения в любых гео­графических районах; сохранение прочности и устойчивости в сейсмических условиях;

2) применимость для возведения практически любых грунтов, находящихся на месте строительства;

3) механизация всех про­цессов по разработке, перемещению, укладке и уплотнению грунтов;

4) сохранение грунтом тела плотины своих свойств со временем; отсут­ствие необходимости в затратах на ремонтные работы в процессе экс­плуатации, за исключением ремонта покрытий верхового откоса.

К недостаткам земляных плотин можно отнести невозможность сбро­са паводковых расходов непосредственно через них, наличие в их теле фильтрационного потока, потенциально создающего условия для дефор­мации тела плотины, большие фильтрационные потери воды при некото­рых грунтах, заставляющие применять специальные противофильтрационные устройства.

Рис. 1. Поперечный профиль земляной плотины

1—тело плотины; 2—подошва плотины; 3—берма верхового откоса; 4—упор крепления; 5— крепление верхового откоса; 6—гребень плотины; 7—крепление низового откоса; 8—берма низо­вого откоса; 9—дренаж; 1О—замок; 11—естественная поверхность грунта; 12 — водопроницаемый грунт; 13 — водоупор

По конструкции поперечного профиля различают зем­ляные плотины однородные и неоднородные по механическому составу грунта с включением в отдельных случаях противофильтрационных эле­ментов. Исходя из этого признака выделяют шесть характерных типов насыпных плотин (рис. 2).

К грунту как к стро­ительному материалу для грунтовых плотин предъявляют требования прочности (характеризуемой сдвиговыми характеристиками - углом внутреннего трения и сцеплением), водоустойчивости (характеризуе­мой степенью растворимости грунта в воде) и водопроницаемости (ха­рактеризуемой коэффициентом фильтрации). Согласно СНиП II-53-73, для строительства земляных насыпных плотин допускается использо­вать любые грунты, за исключением содержащих более 5% хлоридных или сульфатохлоридных солей, более 2% сульфатных солей, более 5% не полностью разложившихся или более 8% полностью разложившихся органических примесей (такие грунты можно применять только при на­личии соответствующего обоснования).

Рис. 2. Типы земляных насыпных плотин

а - однородная (из грунта одного вида): б - неоднородная (из грунтов нескольких видов); в - с экраном из негрунтовых материалов; г - с экраном из грунта; д - с ядром из грунта; е - с диаф­рагмой

По условиям размещения грунтов можно выделить три характерные части поперечного профиля плотины: 1) основная часть; 2) часть, занятая противофильтрационными устройствами; 3) часть, занятая дренажем. Грунты каждой из этих частей поперечного профиля плоти­ны должны отвечать различным требованиям исходя из выполняемых ими задач. В основной части практически можно использовать все виды нескальных грунтов, а также отходы металлургической промышленно­сти и тепловых электростанций. Для противофильтрационных устройств применимы маловодопроницаемые грунты (суглинки, глины, торф) и искусственные грунтовые смеси (глинобетон), для дренажей—несвяз­ные грунты с повышенным коэффициентом фильтрации (пески различ­ной крупности, гравий, галька, щебень, песчано-гравелистые смеси и крупные камни).

Плотина принятая к проектированию относится к грунтовым насыпным плотинам с противофильтрационным экраном из грунта (рис 2 г).

2.2Определение отметки гребня плотины

Гребень плотины, как правило, используется для проезда автотранспорта. Ширина его в этом случае определяется категорией дороги. В нашем случае категория дороги – 4, тогда ширина гребня – 10 м. Вдоль гребня плотины с обеих сторон в пределах обочин ставят ограждения в виде столбов, низких стенок и парапетов.

Превышение отметки гребня плотины над уровнем воды в водохранилище определяется по расчетной формуле:

где: Δh_set – ветровой нагон в верхнем бьефе,

h_run – высота наката ветровых волн обеспеченностью 1%,

a – конструктивный запас по высоте плотины (принимаем равным 0,5 м.).

Расчет выполняем для двух расчетных случаев:

а) уровень воды в водохранилище находится в отметке НПУ

б) уровень воды в водохранилище находится в отметке ФПУ

Для двух расчетных случаев определяем высоту наката и нагона волны, окончательную отметку гребня плотины выбираем максимальную из двух случаев.

а) Уровень воды в водохранилище находится в отметке НПУ

Высоту нагона волны определяем по формуле:

где: K_W – коэффициент принимаемый в зависимости от скорости ветра (принимаем равным 2,1 10^{-6 м.),}

V² – расчетная скорость ветра (по условию 14 м/с),

L – длинна разгона волны (по условию 3500 м.),

g – ускорение свободного падения (9,81 м/с²),

H₁ – глубина воды в верхнем бьефе (6,7 м.),

β – угол направления господствующих ветров (по условию 20^о)

Подставив значения в формулу (2.3) получим

Решая квадратное уравнение, находим, что Δh_set =0,021 м.

Высоту наката волны определяем по формуле:

где: K_r, K_p – коэффициенты определяемые по таблице 6 [1] равные 1 и 0,9 соответственно,

K_sp – коэффициент определяемый по таблице 7 [1] равный 1,26

K_run – коэффициент определяемый по графику 16 [1] равный 1,41

Для определения коэффициента h_1% и высоты волны h определяем безразмерные коэффициенты и по формулам:

где: t – продолжительность действия ветра равное 6 ч. или 21600 с.

Подставив значения в формулы (2.5) и (2.6) получим

и

По огибающей кривой графика [1] находим значения коэффициентов ε и η:

ε₁ = 4,2; η₁ = 0,085;

ε₂ = 2,15; η₂ = 0,03;

По наименьшим значениям ε и η определяем период волны:

высоту волны:

Длину волны:

Для определения h_1% проверяем наличие мелководной или глубоководной зоны, если Н₁ < 0,5λ то зона мелководная, если Н₁ > 0,5λ то зона глубоководная (6,7 > 5,7). Имеем глубоководную зону. Тогда h_1% определится по формуле:

где: K_i – коэффициент определяемый по графику 14 [1] равный 2,16

Зная все значения коэффициентов, найдем по формуле (2.4) h_run1%:

Вычислив значения нагона и наката волны, определяем значение h_s:

б) Уровень воды в водохранилище находится в отметке ФПУ

Высоту нагона волны определяем по формуле (2.3)

где: K_W – коэффициент принимаемый в зависимости от скорости ветра (принимаем равным 2,1 10^{-6 м.),}

V² – расчетная скорость ветра (по условию 11 м/с),

L – длинна разгона волны (по условию 3500 м.),

g – ускорение свободного падения (9,81 м/с²),

H – глубина воды в ВБ ( м),

β – угол направления господствующих ветров (по условию 20^о)

Решая квадратное уравнение, находим, что Δh_set =0,011 м.

Высоту наката волны определяем по формуле (2.4)

где: K_r, K_p – коэффициенты определяемые по таблице 6 [1] равные 1 и 0,9 соответственно,

K_sp – коэффициент определяемый по таблице 7 [1] равный 1,1

K_run – коэффициент определяемый по графику 16 [1] равный 1,4

Для определения коэффициента h_1% и высоты волны h определяем безразмерные коэффициенты и по формулам (2.5) и (2.6):

и

По огибающей кривой графика [1] находим значения коэффициентов ε и η:

ε₁ = 1,87; η₁ = 0,025;

ε₂ = 4,2; η₂ =0,09;

По наименьшим значениям ε и η определяем период волны(2.7), высоту(2.8) волны и длину волны(2.9):

Для определения h_1% проверяем наличие мелководной или глубоководной зоны, если Н₁ < 0,5λ то зона мелководная, если Н₁ > 0,5λ то зона глубоководная (7,65 > 3,445). Имеем глубоководную зону. Тогда h_1% определится по формуле (2.10):

где: K_i – коэффициент определяемый по графику 14 [1] равный 2,06

Зная все значения коэффициентов, найдем h_run1%:

Вычислив значения нагона и наката волны, определяем значение h_s по формуле (2.11):

Определим отметку гребня плотины для двух случаев(2.2):

Из двух отметок принимаем наибольшую:

м

3.2Фильтрационный расчет

Под влиянием напора, создаваемого плотиной, из верхнего бьефа в нижний происходит фильтрация через тело плотины и ее основание. Основными задачами фильтрационных расчетов, являются определение удельного и общего расхода фильтрации, положения кривой депрессии и оценка фильтрационной прочности грунтов основания и тела плотины.

При фильтрационных расчетах принимаем следующие допущения: фильтрацию рассматриваем в одной плоскости, грунт тела плотины считаем однородно-анизотропным, водоупор считается теоретически водонепроницаемым, положение кривой депрессии не зависит от качества грунта, а определяется только геометрическими размерами тела плотины.

Запроектированный поперечный профиль грунтовой плотины приводим к расчетной схеме (рис.1), в которой исключаем отдельные мелкие детали (допустим, наличие и вид противофильтрационного устройства, отметку гребня плотины, конструкцию крепления верхового откоса и т.п.). В верхнем бьефе за расчетный принимаем =205,8м, а в нижнем бьефе – бытовой уровень воды на отметке , при котором будет наблюдаться установившейся расход фильтрационного потока в теле плотины.

Рисунок 3. Поперечный профиль запроектированной грунтовой плотины.

Расчет выполняем в следующей последовательности:

1. Находим положение раздельного сечения по формуле Михайлова:

2. Аналитическим расчетом, по расчетной схеме к фильтрационному расчету, определяем длину проекции кривой депрессии на горизонтальную ось:

3.Определим размер эквивалентного слоя:

4.Определим длину проекции кривой депрессии на основание:

5. Величину удельного фильтрационного расхода q_m находят из уравнения:

Тогда

5. Положение кривой депрессии определяют по уравнению:

Для построения кривой депрессии находим координаты точек, расчет сводим в таблицу 2.

Таблица 2. Расчет координат депрессионной кривой.

X	33.66
Y	1.30	2.55	3.21	3.76	4.24	4.67	5.07	5.43	5.78	6.1	6.41

По полученным координатам строим кривую депрессии (рис.1).

6. Проверим фильтрационную прочность грунтов тела плотины и основания по значению выходного градиента:

Так как условие выполняется, то фильтрационная прочность грунтов тела плотины и основания будет обеспечена.

3.3Статический расчет откосов плотины.

Низовой откос плотины больше всего является подверженным обрушению (сползанию), поэтому необходимо выполнить статический расчет его устойчивости. Для этого вычерчиваем поперечный профиль плотины в одинаковом вертикальном и горизонтальном масштабе (1: 1000) с указанием положения кривой депрессии (рис.2).

Расчет устойчивости откоса ведем на 1м длины плотины. При определении коэффициента запаса все силы переносим на поверхность скольжения, кроме фильтрационной, которую учитываем как объемную. Расчет выполняем методом кругло-цилиндрических поверхностей скольжения графоаналитическим способом в следующей последовательности:

1. Продлеваем линию низового откоса до пересечения с основанием – линия AB.

2. Из точки B опускаем вниз вертикальную прямую и откладываем на ней расстояние, равное высоте плотины и фиксируем его точкой С.

3. Через точку С в сторону верхового откоса проводим горизонтальную линию и откладываем на ней расстояние, равное 5 , фиксируя его точкой М.

4. Затем через точку М и точку А, расположенную на бровке низового откоса,

проводим луч ММ, на котором выбираем центр скольжения О и радиус кривой

скольжения таким образом, чтобы кривой скольжения был захвачен весь низовой откос и частично грунт основания. Причем кривая скольжения должна проходить между осью плотины и бровкой низового откоса. Значение радиуса кривой скольжения определяем графически по расчетной схеме, рисунок 1, R=23,3м.

Разбиваем полученный сектор обрушения на отсеки шириной . Счет ведем от нулевого отсека, расположенного симметрично относительно перпендикуляра, опущенного из центра скольжения точку О к плоскости основания.

Подсчет действующих сил проводим в таблице 3. Приведенная высота для полосы №6 определится из условия:

где - объемная масса грунта тела плотины при естественной влажности, =17,8кН/м³; - объемная масса водонасыщенного грунта полосы №6 тела плотины.

n – относительная пористость грунта тела плотины, n=0,30.

Угол внутреннего трения и удельное сцепление С принимаются по зонам соответственно состоянию и физико-техническим характеристикам грунтов. Начиная с полосы №6, где кривая скольжения проходит по влажным грунтам, угол внутреннего трения и удельное сцепление С уменьшаем на 30%, соответственно получим

=22 и С=2,24.

По линии кривой скольжения выделяется две характерные зоны, это дуга кривой скольжения, проходящая в грунтах естественного состояния (до кривой депрессии), и часть кривой скольжения ниже кривой депрессии. Центральные углы и определяем графически. Длины дуг кривой скольжения определяются из зависимости:

Площадь фильтрационного потока в зоне массива обрушения, определяется как:

Коэффициент устойчивости грунтового массива обрушения по кривой скольжения, а значит и низового откоса в целом, определится из выражения:

где r – плечо действующей гидродинамической силы, определяется графически по расчетной схеме, r=24,0; - выходной градиент принят из результатов фильтрационного расчета, =0,33.

Согласно формуле (2.21) подставив в нее необходимые значения получаем:

Полученное значение устойчивости =1,18 больше допустимого, следовательно грунтовая плотина запроектирована правильно, устойчивость ее будет обеспечена.

Таблица 3. Определение действующих сил на низовой откос плотины.

№ Поло сы	sinα	cosα	h1, м	hнас1, м	hпр, м	hпр∙sinα , м	hпр∙cosα , м	φ	tgφ	hпр∙cosα∙ tgφ ,м	С, кН/м^3	l, м	С∙l, кН
	0,8	0,6	1,10	0,00	1,10	15,66	11,75			7,63	3,2	13,2	44,2
	0,7	0,71	2,20	0,00	2,20	27,41	27,97	33,0	0,65	18,16
	0,6	0,8	2,90	0,10	2,97	31,71	42,28			17,08
	0,5	0,87	2,40	1,10	3,16	28,15	48,75			19,70
	0,4	0,92	1,90	1,80	3,15	22,41	51,35			20,75
	0,3	0,95	1,30	2,40	2,96	15,83	50,33			20,33
	0,2	0,98	1,10	2,10	2,56	9,10	44,57			18,01
	0,1	0,99	0,40	2,20	1,93	3,43	34,10			13,78
			0,00	1,80	1,25	0,00	22,21			8,97
-1	-0,1	0,99	0,00	0,80	0,55	-0,99	9,82			3,97
-2	-0,2	0,98	0,00	0,50	0,35	-1,23	6,05			2,44
-3	-0,3	0,95	0,00	0,20	0,14	-0,74	2,35	22,0	0,40	0,95	2,2	23,17	51,9
Сум						150,74				151,77			96,12

3 Проектирование и расчет водозабора

Подводящий канал принимаем трапецеидального сечения, с уклоном

I =0.0003.Расчет выполняем в соответствии с требованиями п.1.1[2], на пропуск расхода опорожнения водохранилища .Канал располагается на отметке УМО 204 м. В первом слое грунтов- супесь, по таблице1[2] находим, что заложение откосов m=1,5, а коэффициент шероховатости для условий содержаний выше средних таблица 2[7] n=0.0225.Принимаем глубину канала h=1 м, тогда

Для расчета параметров поперечного сечения канала восполбзуемся формулами (4.1) – (4.4), для удобства сведем расчет в таблицу.

bк	h	w	c	R	N	C
м	м	м^2	м	м			м^3/с
2,15		3,65	5,756	0,634	0,0225	37,070	29,521	107,8
2,25		3,75	5,856	0,640	0,0225	37,131	29,715	111,4
2,35		3,85	5,956	0,646	0,0225	37,189	29,901	115,1
2,45		3,95	6,056	0,652	0,0225	37,245	30,081	118,8

Таблица 4. Расчет параметров поперечного сечения канала

Для определения расчетной ширины канала по дну, строится график зависимости(рисунок 4), по которому находим, что для расчетного значения ,ширина канала b_к =2,35 м, расчет параметров поперечного сечения канала в таблице 7.

bк	h	w	c	R	N	C
м	м	м^2	м	м			м^3/с
2,35		3,85	5,956	0,646	0,0225	37,189	29,901	115,1

Таблица 5. Расчет параметров поперечного сечения канала для b_к =2,35м

Рисунок 4 Зависимость расходной характеристики и ширины подводящего канала водозабора по дну

Рассчитанные размеры канала должны выполнять условие (4.5)

где: V_заил – допустимая скорость на заиление.

V_разм – скорость размыва.

V_факт – фактическая скорость.

Т.к. условие (4.5) выполняется, следовательно размеры подводящего канала водоспуска определены правильно и крепление дна и откосов канала не предусматривается.

3.2Гидравлический расчет водозабора

Целью гидравлического расчёта водозабора является определение числа ниток трубопроводов, диаметра трубы d_т и потерь напора ∑h.

Исходные данные к расчету:

1. Расчётный расход Q_р=1,4м³/с;

2. Материал труб – сталь (∆э=0,2);

3. Длину трубопровода l_тр вычислим по формуле:

По расчетной схеме определяем напор, действующий на водозабор

В соответствии со СНиП 2.04.02-84 принимаем 2 нитки трубопровода. Во избежание заиления труб скорость движения воды должна быть не менее 0,7 м/с.

Тогда расчётный расход воды в трубопроводе равен

Определяем площадь поперечного сечения трубы ω:

Определяем диаметр трубы d:

Принимаем две нити стальных труб с диаметром d=1100 мм.

Уточним скорость движения воды в трубопроводе:

Минимальный уровень воды в верхнем бьефе, который обеспечит гарантированный забор определится из условия

Где - суммарные потери напора в одной нити трубопровода:

Потери напора на входе в трубопровод

Потери напора на сороудерживающей решетке

Потери напора по длине трубопровода

Потери напора на затворе (задвижке) установленном в колодце управления

Потери напора на выходе из трубопровода

Значения коэффициентов сопротивлений принимают по справочно-нормативной литературе.

Тогда

Минимальный уровень воды

Рис. 5

4 Расчет и проектирование водосброса

Водосброс устраивается для сброса в период прохождения паводков излишков воды из водохранилища в нижний бьеф гидроузла. Включает в себя: подводящий канал, водосбросной шлюз, отводящий канал и сопрягающее сооружение.

4.1 Гидравлический расчет отводящего канала

Подводящий канал принимаем трапецеидального сечения, с уклоном

I =0.0003.Расчет выполняем в соответствии с требованиями п.1.1[2], на пропуск расхода опорожнения водохранилища .Канал располагается на отметке дна 199,1 м. В первом слое грунтов- супесь, по таблице1[2] находим, что заложение откосов m=1,5, а коэффициент шероховатости для условий содержаний выше средних таблица 2[7] n=0.0225.Принимаем глубину канала h=1,5 м,

тогда

Размеры поперечного сечения подводящего канала устанавливают на основании гидравлического расчета. К параметрам поперечного сечения трапециидального канала относят:

- площадь живого сечения

- смоченный периметр

- гидравлический радиус

- коэффициент Шези

где: m =1,5- заложение откосов.

h =1.5 м- глубина воды в канале.

n =0.0225- коэффициент шероховатости.

Результаты вычислений приводятся в таблице 4.

bк	h	w	c	R	N	C
м	м	м^2	м	м			м^3/с
	1,5	10,86	10,41	1,045	0,0225	40,294	41,187	447,9
5,1	1,5	11,03	10,51	1,049	0,0225	40,322	41,301	455,3
5,2	1,5	11,18	10,61	1,053	0,0225	40,349	41,413	462,8
5,3	1,5	11,33	10,71	1,058	0,0225	40,376	41,522	470,2

Таблица 6. Расчет параметров поперечного сечения канала

Для определения расчетной ширины канала по дну, строится график зависимости(рисунок 4), по которому находим, что для расчетного значения ,ширина канала b_к =5,2 м, расчет параметров поперечного сечения канала в таблице 6.

Рисунок 6 Зависимость расходной характеристики и ширины отводящего канала водоспуска по дну

Таблица 7. Расчет параметров поперечного сечения канала для b_к =5,2м

bк	h	w	c	R	n	C
м	м	м^2	м	м			м^3/с
5,2	1,5	11,18	10,61	1,053	0,0225	40,349	41,413	462,8

Рассчитанные размеры канала должны выполнять условие:

где: V_заил – допустимая скорость на заиление.

V_разм – скорость размыва.

V_факт – фактическая скорость.

Условие не выполняется, фактическая скорость больше скорости на размывания, то в соответствии с рекомендациями таблицы 5[2] предусматриваем крепление дна и откосов канала дерновкой плашмя.

4.2 Конструктивный и гидравлический расчеты водосброса

Длина водосливного порога определяется из формулы пропускной способности водослива с тонкой стенкой:

где - расчетный расход водосброса, м³/с;

m – коэффициент расхода;

H – напор на водосливном пороге, H= ;

- коэффициент подтопления.

Толщину стенки с конструктивных соображений принимаем , поэтому m=0,42. Коэффициент подтопления для по таблице принимаем =0,98. Тогда

м

Число нитей и размеры поперечного сечения водоотводящей трубы определяют на основании гидравлического расчета, из условия равенства H= -геометрического напора на сооружение и алгебраической сумме потерь напора h_w в водоотводящей трубе. Отметка уровня воды в нижнем бьефе водосброса определится из условия м. Для создания более спокойного движения воды к шахте, отметка уровня воды в верхнем бьефе принимается на 0,2м выше водосливного порога.

В первом приближении назначаем одну нить трубы круглого сечения диаметром 1,4 м.

Площадь живого сечения одной нити:

Скорость движения воды в трубопроводе:

Для обеспечения плавного входа потока в трубопровод, предусматриваем раструб d_растр=1,5

Коэффициент сопротивления на входе:

Коэффициент сопротивления по длине трубопровода:

Определяем длину отводящей трубы ковшового водосброса графо-аналитически. =236,5м

Гидравлический радиус:

м

Коэффициент сопротивления на выходе из трубопровода:

Площадь живого сечения на выходе из трубопровода зависит от глубины воды в отводящем канале h=1,5м и ширины водобойного колодца. Как правило, ширину водобойного колодца назначают равную ширине портальной стенки ковша. Ширина портальной стенки ковша должна быть не менее ширины входного фронта сооружения:

где d – внутренний диаметр (ширина) отводящей трубы;

n – число нитей трубопровода;

t – ширина разделительных стенок, t=1,0м;

a – конструктивный запас, обеспечивающий плавность входа потока в крайние трубы и надежность сопряжения трубы с оголовком, а=1,0м.

м

Площадь живого сечения на выходе из трубопровода:

м²

Тогда полные потери напора определятся как:

Процент отклонения рассчитанного и принятого коэффициента расхода составит , что меньше допустимого =5%. Принимаем 1 нить трубы круглого сечения d=1.4м

Конструктивный расчёт водосброса

Входная часть представляет собой ковш из монолитного железобетона с толщиной стенок S=300мм, в основании ковша предусмотрен железобетонный фундаментный блок толщиной 600мм. Глубину ковша принимаем 3м, возвышение стенок ковша над поверхностью дна в подводящей выемке равна 1м. Транзитная часть представляет собой одну нить железобетонных раструбных напорных труб, которые укладываются с уклоном i=0.022. Гашение кинетической энергии потока в НБ осуществляется с помощью водобойного колодца расположенного на отметке 163,6м

4.3Статический расчёт водосброса

Расчёт предусматривает определение коэффициента устойчивости ковша на всплытие, т.е.

Где: G₁ – собственный вес ковша, кН;

G₂ – вес решётки, кН;

G₂=0.1∙G₁, кН

F_тр – сила трения стенок ковша с грунтом, кН;

W_взв – сила взвешивающего давления воды, кН.

Рис.7

Вес ковша определяем по формуле:

где γ_б – объемная масса бетона, кН/м³;

a и b – внешние размеры ковша, равные соответственно 1,5 и 2 м;

h – высота стенки ковша, находящейся под поверхностью дна водоотводящей выемки, равная 2 м. Тогда по формуле (4.14) имеем:

Силу трения ковша о грунт вычислим по формуле:

где f_тр – коэффициент трения, равный 0,3;

где Е – сила, действующая на ковш со стороны грунта в насыщенном состоянии. Здесь - объемная масса грунта, равная 11 кН/м³;

φ_н – угол внутреннего трения насыщенного грунта, равный 26,6^˚. Тогда по формуле (4.16)

L₀ – внешний периметр ковша, равный: L₀=2∙(a+b)=2∙(1,5+2)=7м

Теперь определим F_тр по формуле (3.16):

Силу взвешивающего давления воды рассчитываем по формуле:

где γ_в – объемная масса воды, равная 10кН/м³;

По полученным значениям сил определяем по формуле (3.14) коэффициент К_вспл:

Так как фактический коэффициент устойчивости ковша на всплытие превышает допустимое значение [К_вспл]=1,1, следовательно устойчивость ковша на всплытие обеспечена.

5 Проектирование и расчет водоспуска

При проектировании берегового открытого водосброса или ковшового типа, в составе водопропускных сооружений предусматривают устройство трубчатого водоспуска. Отметка входного оголовка чаще всего располагается на уровне дна реки в створе гидроузла. В конструктивном отношении они выполняются аналогично трубчатым водозаборам водохранилищных гидроузлов. Размеры подводящего (отводящего) каналов определены в п.3, на пропуск расхода опорожнения, Q_опор.=2 м³/с.

Рис. 8 Схема к гидравлическому расчету водоспуска

Из расчетной схемы (см. рисунок 31) аналитическим путем определяем длину трубы водоспуска:, принимая толщину выходного оголовка =0,5м

Напор определится по расчетной схеме

Дата добавления: 2015-09-29