Проектирование комлексного гидроузла

Грунт	Удельная плотность частиц, т/м3	Пористость	Удельное сцепление грунта, кПа.		Угол внутреннего трения грунта, град.
			естествен- ной влажности	насыщен- ного водой	естествен- ной влажности	насыщен- ного водой
Глина	2,74	0,35…0,50	3,0…6,0	2,0…3,5	20…26	12…16
Супесь	2,70	0,3…0,45	0,5…1,3	0,3…0,5	25…30	20…23
Суглинок	2,71	0,35…0,45	2,0…4,0	1,5…3,0	21…27	15…20

 

(5) Определяем приведённые высоты отсеков:

 

 (33)

 

где - глубина слоя воды над отсеком.

Т. к. и , то уравнение можно представить в следующем виде:

 

 (34)

 

Величины и определяем графически по рисунку и вносим в таблицу 2.2. В этой же таблице рассчитываем величину

 

 

Табл. 2.2. Определение действующих сил

Номер отсека				м		м		м
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7	1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0 -0,10 -0,20 -0,30 -0,40 -0,50 -0,60 -0,70	0 0,44 0,50 0,71 0,80 0,86 0,92 0,95 0,98 0,99 1,00 0,99 0,98 0,95 0,92 0,86 0,80 0,71	3,0 5,0 6,5 7,5 6,6 5,4 4,3 3,1 2,9 2,2 2,0 1,5 1,3 0,8 0,0 0,0 0,0 0,0	0,0 5,0 6,5 7,5 8,0 8,3 8,6 9,5 9,7 10,5 10,0 9,5 9,0 8,4 7,0 5,5 3,2 2,5	3,0 5,0 7,3 9,5 10,5 11,3 11,0 10,9 9,6 9,2 9,0 8,4 7,5 6,2 4,2 2,9 1,7 1,3	2,4 3,5 5,8 7,5 7,8 8,6 8,1 7,3 7,0 6,9 0,0 -0,8 -0,7 -0,8 -0,9 -0,9 -0,7 -0,3	30 30 30 25 25 25 22 22 22 22 22 20 20 20 19 18 17 15	0,1 1,7 2,7 5,3 5,8 6,1 5,7 5,2 5,1 4,8 4,3 2,4 2,9 2,6 1,8 1,7 0,6 0,7
S				128,7		59,8		43,9

 

(6) Устанавливаем силу трения, возникающую на подошве всего массива обрушения, по следующей формуле:

 

 (35)

 

Угол внутреннего трения зависит от вида грунта и его влажности в зоне кривой сдвига, при отсутствии фактических данных его принимают по таблице 2.1. Значения угла указаны в таблице 2.2.

Величина рассчитана для каждого отсека также в таблице 2.2.

Рассчитаем силу трения :

.

(7) Подобным образом вычислим касательную составляющую веса массива обрушения:

 

. (36)

 

Величина рассчитана в табл. 2.2 (для каждого отсека).

Рассчитываем силу :

(8) Определим силу сцепления, возникающую на подошве массива обрушения по следующей зависимости:

 

 (37)

 

где: с₁ - удельное сцепление грунта тела плотины при естественной влажности;

с₂ - удельное сцепление грунта тела плотины при насыщении водой;

с₃ - удельное сцепление грунта основания, насыщенного водой;

l₁ - длина дуги AB;

l₂ - длина дуги BC;

l₃ - длина дуги CD.

Длины дуг кривой сдвига вычисляются по общей формуле:

 

 (38)

 

где - центральный угол круглоцилиндрической поверхности сдвига, опирающийся на дугу l.

Углы измеряются по чертежу (рис. 5):

, , .

Подставляем измеренные углы в формулу:

; ; .

 

Рассчитаем силу сцепления :

.

(9) Рассчитываем фильтрационную силу:

 

, (39)

 

где - площадь фигуры KBCDE:

. (40)

- средний градиент фильтрационного потока

 

, (41)

 

где - падение депрессионной кривой в пределах массива обрушения;

- расстояние, на котором произошло падение депрессионной кривой на .

Определяем эти величины по рисунку 5.

, .

.

Подставим найденные величины в формулу

.

(10) Вычисляем значение коэффициента устойчивости откоса:

 

, (42)

где - плечо фильтрационной силы, равное расстоянию от центра кривой сдвига до центра тяжести площади , которое измеряют по чертежу. (рис. 5).

Вывод об устойчивости откоса: окончательно можно сделать вывод, что значение, найденное по формуле превышает нормативное, а, значит, обрушение откоса по рассматриваемой поверхности сдвига невозможно.

 

1.5 Окончательное проектное решение

 

При проектировании тела плотины в курсовом проекте были выполнены следующие расчёты: определение параметров плотины, фильтрационный расчёт, а также расчёт устойчивости низового откоса методом круглоцилиндрических поверхностей скольжения.

На основании проведённых расчётов окончательно принимаем следующие размеры плотины: , , , . Кроме того, в основании плотины устраиваем зуб.

В ходе выполнения фильтрационного расчёта было определено положение депрессионной кривой, фильтрационный расход воды через тело плотины, высота выхода фильтрационного потока на низовой откос. По результатам этого расчёта проектируем наслонный дренаж. Эта конструкция наиболее проста, доступна для осмотра и ремонта. Наслонный дренаж выполняют после возведения плотины из 2-3 слоёв обратного фильтра, пригруженного слоем каменной наброски. Он не понижает депрессионную кривую, но, являясь пригрузкой, увеличивает устойчивость низового откоса против обрушения и оплывания.

Для того, чтобы защитить верховой откос земляной плотины от воздействия ветра, льда, течения воды, осадков и других факторов СНиП 2.06.05-84 рекомендует следующие крепления: каменное, бетонное, железобетонное, асфальтобетонное и биологическое.

Выполним крепление верхового откоса железобетонными плитами размером 1,5´1,5 м и толщиной 0,1 м. В нижней части крепления устраиваем упор в виде бетонного массива.

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

 

 

 

2. Водосбросные сооружения при грунтовой плотине

 

Водосброс служит для пропуска в нижний бьеф паводковых расходов. Для гидроузлов с глухими плотинами можно привести основные типы водосбросов: открытые (с быстротоком или перепадом); закрытые (трубчатые, туннельные); комбинированные.

По конструкции входной части открытые водосбросы различают на фронтальные, траншейные, полигональные и др. Закрытые водосбросы бывают шахтные, трубчато-ковшовые, туннельные, башенные и др.

По условиям управления водосбросы подразделяются на регулируемые и нерегулируемые.

 

2.1. Выбор варианта водосброса

 

Выбор варианта водосброса - это один из наиболее ответственных вопросов проектирования. Тип и конструкция водосброса должны основываться на учёте природных, гидрологических и инженерно-геологических условий района строительства, а также эксплуатации проектируемых сооружений.

На практике оптимальный вариант принимают на основе технико-экономического сравнения различных вариантов. Около 75% построенных сооружений для наиболее вероятных условий низконапорных водохранилищных гидроузлов запроектированы по типовым проектам.

Однако целью данного курсового проекта является самостоятельный выбор типа и конструкции водосброса, а также расчёт его оптимальных размеров.

Исходя из особенностей рельефа (рис. 1), наиболее выгодно конструировать открытый береговой водосброс.

В расчёт берегового водосброса входит определение размеров входного оголовка на пропуск максимального расхода, а также определение размеров водопропускного тракта сооружения и устройств нижнего бьефа сооружения.

Этот расчёт мы будем рассматривать далее.

 

2.2 Гидравлический расчёт сооружения

 

2.2.1 Расчёт входного оголовка водослива

Проектируем береговой водосброс с полигональным входным оголовком.

Рассчитаем ширину каждой грани оголовка. Для этого определим его периметр:

 

 (43)

 

где m - коэффициент расхода водослива, который определяется по формуле Ребока:

 

, (44)

 

где Н - напор над оголовком. Н = 0,4 м.

Р - высота входного оголовка. Р = 1,5 м.

Подставим эти значения в формулу (44):

.

В формуле (43) σ - коэффициент сжатия потока, который определяется для водосбросов с фронтальным входным оголовком по формуле Базена:

 

, (45)

 

где z - перепад уровней. z = Н₀

Однако в случае водосброса с полигональным входным оголовком значение σ принимается равным 1.

Н₀ - напор над оголовком водослива с учётом скорости подхода:

 

, (46)

 

В данной формуле величину для предварительных расчётов можно принять равной 2% от , т.е. .

.

Далее определяем периметр входного оголовка водослива:

.

Принимаем 5 граней: 4 шириной по 7 м, и одна - 3.5 м.

 

2.2.2 Расчёт водопропускной части водослива

1) Начнём расчёт водопропускной части водослива с определения ширины водопропускного тракта на пропуск расхода, который вошёл в оголовок водослива.

Задаём предварительно .

Перепад уровней во входном оголовке определяется по зависимости

 

, (47)

 

где - критическая глубина потока во входном оголовке

, (48)

 

где - коэффициент Кориолиса .

.

Подставляя значения в формулу (47), определяем перепад уровней

.

2) Рассчитаем глубину воды на входе в водопропускной тракт водосбросного сооружения:

 

, (49)

 

где - коэффициент бокового сжатия. .

- коэффициент скорости. .

.

3) Рассчитаем вероятную глубину воды на водопропускном тракте:

 

, (50)

 

где - разность бьефов (51)

 

, (52)

 

 - скорость движения воды на водопропускном тракте. .

.

.

4) Т. к. мы не можем утверждать, что найденная глубина - это действительная глубина на водопропускном тракте, то необходимо её проверить, рассчитав кривую спада. Уравнение кривой свободной поверхности определяется по формуле Ларькова

 

, (53)

 

Величина A определяется по следующей формуле:

 

, (54)

 

где - угол наклона водосброса к горизонтальной плоскости. .

- приведённый коэффициент расхода:

 

, (55)

 

- приведённый напор:

 

. (56)

 

Подставляем найденные величины и в формулу:

Далее определяем значение :

Таким образом, глубина воды в конце водопропускного тракта . Отсюда следует, что к концу водоспуска глубина уменьшается и образуется кривая спада.

Назначаем высоту стенок водопропускного тракта с учётом сухого запаса , т.е. глубина канала в начале , а в конце - . Или, округляя до стандартных величин, получим:

, .

Определим среднюю глубину воды на водопропускном тракте:

.

5) Рассчитаем расход, который может пропустить водопропускной тракт, по следующей зависимости

 

. (57)

 

.

Для проверки рассчитаем расход по формуле Шези:

 

, (58)

 

где - коэффициент Шези, определяемый по формуле

 

, (59)

 

где - коэффициент шероховатости бетона.

-гидравлический радиус:

Отсюда определяем коэффициент Шези:

ω - площадь поперечного сечения канала:

i - уклон дна водопропускного тракта

 

. (62)

 

Подставляем все найденные значения в формулу:

.

Рассчитанный расход превышает заданное значение, однако превышает на допустимую величину. Таким образом, окончательно принимаем ширину канала равной 2 м.

6) Рассчитаем скорость воды на водопропускном тракте: