Проектирование гидротехнических сооружений

Введение

Целью настоящего курсового проекта по дисциплине «Энергетические сооружения» является ознакомление студентов с основными  положениями современной методики проектирования гидротехнических сооружений.

Лист  данных к курсовому проекту состоит  из двух частей:

–  основные требования к гидроузлу;

–  геологические особенности выбранного створа.

Проектируемый гидроузел имеет энергетическое назначение. В его состав входят бетонная водосливная плотина, грунтовая  плотина, гидроэлектростанция.

Приступая к компоновке гидроузла, необходимо определить общее конструктивное решение  и габариты сооружений.

В выбранном  створе сооружения располагают в  зависимости от геологических условий  и несущей способности пород. При этом стремятся разместить бетонные сооружения на более прочном основании, так как это позволяет проектировать  более обжатый профиль сооружений. Размещение бетонных сооружений необходимо увязывать с наиболее удобной  и экономичной схемой производства работ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Гидравлический расчет водосливной плотины

 

     Гидравлический расчет выполняется с целью определения:

 

1. ширины водосливного фронта;
2. отметки гребня водосливной плотины;
3. формы водослива;
4. сопряжения потока в НБ;
5. размеров гасителей энергии потока.

 

Гидравлический  расчет выполняется для основного  расчетного случая      (при НПУ и УНБ_min) и поверочного расчетного случая (при ФПУ и УНБ_mах).

 

1.1 Основной расчетный случай

 

Определим расчетный  расход через водосливную плотину  по следующему выражению:

 

Q_расч = Q_max – Q_ГЭС = 3650 – 600 = 3050 (м³/с),  (1-1)

 

где Q_max – максимальный основной расход;

      Q_ГЭС – расход через ГЭС.

 

Удельный расход на водосливе будет  равен:

 

q_вод = 1,25 q_рисб ,    (1-2)

 

где q_рисб – удельный расход на рисберме, который равен

 

q_рисб = ν_р h_НБ ,    (1-3)

 

где h_НБ – глубина в НБ при максимальном основном расходе Q_max=3650 м³/с     УНБ_min = 62,2 м (определяется по графику Q = f(H)), тогда

 

h_НБ = УНБ_min - Ñ_ДНО = 62,2 – 53 = 9,2 (м);

 

ν_р – допустимая по размыву скорость на рисберме ν_р= 3,5м/с. Грунт – гравийно-песчнаный ([1] стр.239).

 

q_рисб = 3,5∙9,2 = 32,2 (м²/с). 

Тогда

q_вод = 1,25∙32,2 = 40,25 (м²/с).

 

 

 

Ширина водосливного фронта равна:

 

В = Q_расч/q_вод = 3050/40,25 = 75,77 (м).  

 

(1-4) Определим количество водосливных отверстий. Зададимся стандартной длиной пролета отверстия b = 10 м ([2] стр.18), тогда водосливных отверстий:

n = B/b =75,77/10 =7,57.

 

          Округлим до ближайшего целого – n = 8. Бык примем разрезным (т.к. основание легко деформируемое) и его ширина d = (0,2-0,25) ∙ b = 0,25∙10 = 2,5 м ([2] стр.18). С учетом разрезки быка, увеличиваем его ширину на полтора метра, тогда принимаем окончательно ширину  быка 4 м.  Головная часть быка имеет округлую форму для улучшенного обтекания потоком.

 

 Тогда ширина водосливного фронта:

 

В = b ∙ n = 10 ∙ 8 = 80 (м).

 

Используя формулу  расхода через водослив, определим  полный напор на водосливе:

 

,    (1-5)

 

где m - коэффициент расхода водослива. В курсовой работе принимаем профиль

      оголовка безвакуумной водосливной стенки Кригера – Офицерова типа А  

      (m=0,49),(рис. 1.1).

 

                  

 

рис.1.1 Безвакуумные стенки нормального очертания Кригера-Офицерова

 

(м).                                                                                                                                                               

 

 

 

 

 

Уточним  напор на водосливе:

 

,    (1-6)

 

где s_сж - коэффициент бокового сжатия;

       s_n – коэффициент подтопления, подтопления водослива нет и s_n = 1.

 

,  (1-7)

 

где e_б = 0,45 - коэффициент уменьшения, учитывающий форму быков в плане    ([2] рис. 6б).

 

,

 

(м).

 

Определим геометрический напор на водосливе:

 

,             (1-8)

 

где a₀ = 1,1 – коэффициент Кориолиса;

      - скорость в живом сечение перед плотиной, где w - площадь живого

      сечения:w = (В + S_быч) × (Ñ_НПУ – Ñ_ДНО) = (80+(8 - 1) ×4)(78 – 53) = 2700 (м²),

 

где S_быч – ширина всех бычков, S_быч = (n - 1)×d.

 

(м²/с);

 

(м).

 

Округлим полученное значение до ближайшего стандартного: = 7 м,

(СНиП 2.06.01-86).

Определим отметку гребня водослива: Ñ_ГВ = Ñ_НПУ – Н_стан = 78 – 7 = 71 (м).

1.2 Поверочный случай

 

Определим поверочный расход через  водосливную плотину:

 

Q_повер = Q_{max.повер} – Q_ГЭС = 4700 – 600 = 4100 (м³/с),

 

где Q_{max.повер} – максимальный поверочный расход.

 

Полный напор равен (в первом приближении):

 

(м).

 

Уточним его по формуле:

 

,               (1-9)

 

где m_повер – коэффициент расхода для поверочного случая, определяется по    формуле А.С. Офицерова:

 

;               (1-10)

 

     s_ф – коэффициент формы, равен 1 (табл.11-3[3]);

     s_н – коэффициент полноты напора, равен 1,04 (H_01повер/H_ст=8,23/6=1,37 и   

     ), ([3],табл.11.4);

 

,

 

;

 

(м).

 

Определим геометрический напор на водосливе:

 

w = (В + S_быч) ∙ (Ñ_ФПУ – Ñ_ДНО) = (80 + (8 -1) ∙4) ∙ (79,5 – 53) = 2862(м²);

 

(м²/с);

 

(м).

 

Проверим не превышается ли заданная отметка Ñ_ФПУ = 79,5 м при таком напоре:

 

Ñ_ФПУ^расч = Ñ_ГВ + Н = 71 + 8,04 = 79,04 м £ Ñ_ФПУ = 79,5.

 

 

1.3 Построение практического  профиля водослива

 

Используя таблицу 4 ([1] стр.19) составим таблицу координат для оголовка водослива типа А. Для получения действительных координат кривой поверхности водослива необходимо отношения (х/H_проф) и (y/H_проф) умножить на . Расчеты сведем в таблицу 1.1

 

Таблица 1.1 

Приведённые координаты очертания  гребня водосливной стенки (Кригера-Офицерова)

№ точки	х	y	№ точки	х	y
1	0	0,882	15	9,8	3,948
2	0,7	0,252	16	10,5	4,634
3	1,4	0,056	17	11,2	5,348
4	2,1	0	18	11,9	6,118
5	2,8	0,042	19	12,6	6,916
6	3,5	0,196	20	13,3	7,756
7	4,2	0,42	21	14	8,652
8	4,9	0,7	22	14,7	9,59
9	5,6	1,022	23	15,4	10,556
10	6,3	1,386	24	16,1	11,578
11	7	1,792	25	16,8	12,74
12	7,7	2,254	26	17,5	13,72
13	8,4	2,758	27	18,2	14,854

 

 

        

      Значения сопрягающего  радиуса R выбираем в зависимости от напора  на водосливе Н =7 м и высоты водосливной плотины ([2] табл.5):

С_н= Ñ_ГВ - Ñ_ДНО = 71 - 53 = 18 (м) => R =11,68м

 

 

 

Профиль приведем на рисунке ниже:

 

 

 

 

1.4 Определение типа сопряжения бьефов

 

Схема к расчету сопряжения бьефов представлена на рисунке 1.2:

 

 

 

 

 

     Рис. 1.2 Схема к расчету сопряжения бьефов

         От сопряжения бьефов зависит наличие гасителей энергии потока в нижнем бьефе. Возможны три случая сопряжения бьефов:

1. прыжок у сжатого сечения – h”_c= h_НБ;
2. затопленный прыжок - h”_c< h_НБ;
3. отогнанный прыжок - h”_c> h_НБ;

где h_НБ – глубина в нижнем бьефе,

      h”_c – сопряженная глубина с глубиной в сжатом сечении.

 

Найдем  полную удельную энергию в сечении В-В (рис.1.2):

 

E₀ = E = C_н + H,

 

где C_Н – высота плотины со стороны нижнего бьефа, C_Н =Ñ_ГВ – Ñ_ДНО = 18 (м);

Н – геометрический напор на водосливе, м.

 

Е₀ =  18 + 7 = 25 (м).

 

        Определим  коэффициент скорости для криволинейных  водосливов практического профиля (табл.6[2]):

 

 =>

 

 

Определим критическую глубину h_к:

 

                             

,    (1-11)

 

где – расчетный расход;

      n – количество водосливных пролетов;

      b – ширина пролета;

     d – толщина бычка.

 

(м).

 

Относительная удельная энергия сечения  в верхнем бьефе:

 

;

.

 

Определим величины , 2,30 (рис. 12-5, [3]).

 

 

Определим сопряженные глубины:

 

(м),

 

(м).

 

1. Глубина в НБ h_НБ = 9,2 м, следовательно, прыжок отогнанный  h”_c> h_НБ.

 

Отогнанный прыжок за плотиной не допускается. Для затопления прыжка создадим в нижнем бьефе соответствующую  глубину с помощью водобойного  колодца.

 

Из-за того, что относительно большая потенциальная  энергия воды верхнего бьефа  непосредственно  за плотиной переходит в кинетическую энергию, что приводит к увеличению скорости воды в нижнем бьефе, возникает необходимость сооружать в нижнем бьефе мощное дорогостоящее крепление. Для уменьшения затрат, необходимо на возможно более короткой длине за плотиной преобразовать часть получившейся в нижнем бьефе избыточной кинетической энергии в потенциальную; погасить оставшуюся часть кинетической энергии, с помощью водобойного устройства. Это позволит получить сопряжение бьефов при помощи затопленного прыжка, который в свою очередь обеспечивает наибольшее гашение энергии потока.

В качестве водобойного устройства рассчитаем комбинированный водобойный колодец.

 

1.5 Гидравлический расчет водослива  практического профиля с водобойным колодцем

 

Комбинированный водобойный колодец  представляет собой водобойный колодец  с глубиной d.

Рис. 2. Водослив практического профиля  с водобойным колодцем

 

Задаемся глубиной водобойного  колодца d=3(м).

Определим высоту плотины со стороны НБ:   

C_Н =Ñ_ГВ – Ñ_ДНО -d= 71 – 53-3=21 м.

        Определим  коэффициент скорости для криволинейных  водосливов практического профиля  (табл.6 [2]):

 

Определим глубину в сжатом сечении  методом последовательных приближений:

 

 

   1-я итерация ():

  

 

   2-я итерация ():

 

 

   3-я итерация ():

 

 

Определим вторую сопряженную глубину:

 

_.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Определение размеров  элементов подземного контура  и устройств в нижнем бьефе

 

2.1 Определение отметки  подошвы плотины

 

Отметка подошвы плотины равна:

 

,   (2-1)

 

где а = 2 – запаса в метрах;

      b_в – толщина водобойной плиты, определяется по формуле

      В.Д. Домбровского:

 

,    (2-2)

 

где  и h_c – соответственно скорость и глубина в сжатом сечении;

 

,     (2-3)

 

где В_в – ширина водосливного фронта,

 

Скорость в сжатом сечение равна:

 

( м/с),

 

(м).

 

Определим отметку подошвы плотины:

 

Ñ_{подошвы ВБ} = 53 – (3,00+ 2) =48,00 (м),

Ñ_{подошвы НБ} = 53 – (3,00 + 2) - 3 =45,00 (м),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Определение ширины  подошвы плотины

 

Ширина подошвы  основания принимается исходя из удовлетворения условиям – устойчивости и прочности. Но можно определить оптимальную ширину на основе двух требований:

 

1. Отсутствие растягивающих напряжений в бетоне.

 

2. Устойчивость по основанию (на сдвиг).

 

Ширина подошвы плотины по первому  условию рассчитывается по формуле:

 

                                                              (2.4)