Проектирование комлексного гидроузла

Калининградский Государственный Технический Университет

 

 

 

Кафедра водных ресурсов и водопользования

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

по дисциплине «Гидротехнические сооружения»

 

на тему:

 

«Проектирование комплексного гидроузла»

 

 

 

 

 

 

 

 

Калининград

2007

 

Содержание

 

Исходные данные

Результаты компоновки сооружений на генеральном плане

Введение

1. Грунтовая плотина

1.1 Определение высоты грунтовой плотины

1.2 Конструирование тела плотины

1.3 Фильтрационный расчёт тела плотины. Депрессионная кривая

1.3.1 Фильтрация в теле плотины с ядром на водонепроницаемом основании

1.3.2 Фильтрация в теле плотины с экраном на водонепроницаемом основании

1.4. Расчёт устойчивости низового откоса грунтовой плотины методом

круглолиндрических поверхностей скольжения

1.5 Окончательное проектное решение

2. Водосбросные сооружения при грунтовой плотине

2.1 Выбор варианта водосброса

2.2 Гидравлический расчёт сооружения

2.2.1 Расчёт входного оголовка водослива

2.2.2 Расчёт водопропускной части водослива

2.2.3 Устройство нижнего бьефа в виде консольного сброса

2.3 Окончательное проектное решение

3. Бетонная плотина

3.1 Проектирование тела бетонной плотины

3.2 Расчёт пропускной способности

3.3 Устройства нижнего бьефа водосливной плотины

3.4 Пространственный гидравлический прыжок за водосливной плотиной

3.5 Устойчивость бетонной плотины

3.6 Окончательное проектное решение

4. Конструирование плоского затвора

4.1 Описание конструкций затвора

4.2 Расчетно-графическая схема

4.3 Окончательное проектное решение

Заключение

Список используемой литературы

 

Исходные данные

 

Отметка НПУ = 13 м

Отметка ФПУ = 13.6 м

Грунты - супесь

Коэффициент фильтрации Кф = 0.3 м/сут

Расход воды Q = 16 м³/с

Скоростной коэффициент φ = 0,95

Коэффициент бокового сжатия ε = 0,85

Коэффициент Кориолиса α = 1,1

 

Результаты компоновки сооружений на генеральном плане:

Длина быстротока L = 37,5 м.

Угол наклона водосброса к горизонтальной плоскости a=23⁰.

Напор над оголовком Н = 0,4 м.

Высота входного оголовка Р = 1,5 м.

Разность бьефов z = ÑНПУ-ÑНБ = 13 - 0 = 13 м

Напор на гребне водослива бетонной плотины H = 1 м.

 

 

 

Введение

 

Основная задача гидротехники - приспособление (а в необходимых случаях и изменение) существующего естественного режима водного объекта - реки, озера, моря, подземных вод - к нуждам народного хозяйства при обеспечении минимума отрицательных экологических последствий.

Инженерные сооружения, позволяющие реализовать поставленную задачу, называются гидротехническими сооружениями.

Цель объектов гидротехнического строительства обеспечить перераспределение стока реки во времени, а также обеспечить его использование. Поэтому возводимые объекты включают не одно, а несколько гидротехнических сооружений разного назначения, решающих комплекс задач. Совокупность гидротехнических сооружений, объединённых общностью целей и расположенных на небольшой территории, называется гидроузлом.

Гидроузлы принято классифицировать по ряду признаков. По месторасположению их подразделяют на речные, морские, озёрные и прудовые.

По величине создаваемого напора они могут быть безнапорными (при заборе воды из рек в их естественном состоянии, портовые сооружения и др.), низконапорными (напоры менее 10 м), средненапорными (напор 10-50 м) и высоконапорными (напоры более 50 м).

По основному назначению гидроузлы подразделяются на водозаборные (для орошения, водоснабжения и др.), энергетические, воднотранспортные, водохранилищные (для перераспределения стока рек), а также рекреационные, служащие для организации отдыха населения.

Гидроузлы чаще всего перераспределяют сток реки во времени.

Территориальное перераспределение водных ресурсов реализуют с помощью гидросистем - комплекса гидроузлов и отдельных сооружений, объединённых общностью целей и расположенных на значительной территории. Гидросистемы, как и гидроузлы, могут быть специализированными и комплексными.

 

 

 

1. Грунтовая плотина

 

Основные сведения о плотине

Плотины, которые возводят из местного грунта как строительного материала, называются грунтовыми (земляные насыпные, земляные намывные, каменно-земляные и каменно-набросные). Они получили широкое распространение, т. к. являются самыми экономичными. Используя местный грунт, их можно возводить практически во всех географических зонах, строить любой высоты, возведение их высоко механизировано. Однако грунтовые плотины имеют и недостатки.

Через тело плотины осуществляется фильтрация, что потенциально создаёт условия для фильтрационных деформаций, ведёт к большим потерям воды. В процессе эксплуатации грунтовые плотины имеют неравномерную осадку по поперечному профилю. Ограничено и использование некоторых типов грунтов для тела плотины и её основания.

Плотины подразделяют по конструкции тела плотины, противофильтрационных устройств в теле и основании на следующие основные типы: из однородного грунта и неоднородного грунта; с экраном (из грунтовых и негрунтовых материалов), с ядром из грунта, диафрагмой из негрунтовых материалов; с зубом, замком, диафрагмой в основании, со шпунтовой стенкой, понуром. В зависимости от высоты плотины, характера грунтов основания плотины делят на 4 класса, которые принимаются согласно СНиП.

Обычно гребень плотины служит проезжей частью. Ширина его зависит от категории дороги и принимается согласно СНиП. Отметку гребня выбирают из условия недопущения перелива через него.

Тип грунта и его сдвиговые характеристики позволяют назначать заложение откосов. Откосы плотин по высоте могут иметь переменное заложение у высоких, что позволяет экономично использовать грунт, в низких плотинах заложение принимается постоянным.

Низовой откос закрепляется для защиты от выветривания или посевом трав, или одерновкой. Для крепления верхового откоса применяют: каменную наброску, бетонные и железобетонные плиты, биологическое крепление.

Противофильтрационные устройства в теле плотин применяют, когда плотину отсыпают из сильно проницаемых грунтов для снижения фильтрационных потерь через плотину. Для создания противофильтрационных устройств используют грунты (суглинки, глины, глинобетон), а также битумные составы, асфальтобетон, бетон и полимерные плёнки.

В теле плотины конструируют одно из следующих противофильтрационные устройств: ядро, экран, диафрагму. Они необходимы, если плотины возводят на проницаемых основаниях для уменьшения фильтрационных потерь и снижения градиентов напора. Эти сооружения могут прорезать весь проницаемый слой до водоупора или быть висячими, не достигающими его.

Замок устраивают, если водонепроницаемое устройство прорезает водопроницаемый слой и входит в водоупор. Его выполняют, укладывая в траншею плотный суглинок, глину, глинобетон.

Зуб устраивают, если водопроницаемое устройство не доходит до водоупора. Его можно применять в комбинации со шпунтовой стенкой. Зуб, особенно при устройстве со шпунтом, делают из бетона.

Дренаж грунтовой плотины - это конструктивный элемент для сбора и отвода воды, фильтрующийся через тело плотины. Дренаж имеет повышенную проницаемость по сравнению с грунтами тела плотины и основания. Он понижает депрессионную кривую, предотвращает выклинивание фильтрационного потока на низовой откос и состоит из двух частей - приёмной и отводящей.

Тип дренажа и его местоположение выбирают из условия обеспечения устойчивости низового откоса. Основными типами дренажей являются: наслонный, дренажная призма, комбинированный (наслонный с дренажной призмой), плоский, плоский с вертикальной или наклонной приёмной частью, ленточный.

 

 

1.1. Определение высоты тела плотины, отметки гребня плотины

 

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

 

d = Δh + h_н + a (1)

 

где: Δh - высота ветрового нагона волны;

h_н - высота наката волн на откос плотины;

a - конструктивный запас, принимаемый как большее из значений 0,5 м и 0,1h_0,1%;

0,1h_0,1% - высота волны 1%-ной вероятности превышения.

Расчёты по формуле (1) проводим для двух расчётных случаев:

1) уровень воды на отметке НПУ;

2) уровень воды на отметке ФПУ.

Расчётную скорость ветра в первом случае принимаем 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 сооружения III класса 4%.

В качестве расчетной отметки гребня плотины принимают большую из отметок:

 

Zгр = Zнпу + dнпу; (2)

Zгр = Zфпу + dфпу, (3)

 

где Zнпу и Zфпу - отметки нормального и форсированного подпорных уровней.

Рассчитаем высоту ветрового нагона воды по следующей зависимости:

 

, (4)

 

где: W - расчётная скорость ветра на высоте 10 м над уровнем воды.

При НПУ: W = 20 м/с; при ФПУ: W = 10 м/с.

 - коэффициент, зависящий от скорости ветра. ;

 - длина разгона ветровой волны. При НПУ: D = 4,5 км; при ФПУ: D = 4,7 км;

 - ускорение свободного падения, ;

 - условная расчётная глубина воды в водохранилище, Н = 13 м;

- угол между продольной осью водоёма и направлением господствующих ветров, .

 

Табл. 1.1. Значения расчётной скорости

W, м/с	20	30	40	50
Кв

 

Т. к. величина Δh, стоящая в знаменателе, мала по сравнению с величиной Н, то полагаем, что Δh = 0.

Таким образом, высота ветрового нагона, вычисленная по формуле (4) при уровне воды в водохранилище на отметке НПУ, равна:

 

 

То же при отметке ФПУ:

 

м.

 

Высоту наката волны определяют по формуле:

, (5)

 

Высоту волны 1%-ной вероятности превышения определим в следующей последовательности:

1) Вычисляем безразмерные комплексы:

 

и ,

 

где t - продолжительность действия ветра, принимаемая при отсутствии фактических данных ;

а) при НПУ: ;

б) при ФПУ: ;

 

2) По графику /1/ для каждого найденного комплекса определяем значения параметров и ,

где  - средний период волны;

- средняя высота волны;

при НПУ: ,

при ФПУ: ,

 

3) Из найденных двух пар значений параметров выберем наименьшие и по ним установим параметры и :

при НПУ: ;

при ФПУ: ;

4) Вычисляем среднюю длину волны:

при НПУ:

при ФПУ:

5) Определяем высоту волны 1%-ной вероятности превышения:

 (6)

где К₁ - коэффициент, устанавливаемый по графику /2/ при 1%-ной вероятности превышения в зависимости от значения безразмерного комплекса

при НПУ:

при ФПУ:

Коэффициенты К_Δ и К_НП зависят от типа и относительной шероховатости крепления откоса и определяются по таблице 1.2.

 

Табл. 1.2. Значения коэффициентов К_Δ и Кнп