Проектирование гидротехнических сооружений

 

где γ_б ,γ_в – удельный вес бетона и воды соответственно, γ_б = 2,4 кН/м³,

       γ_в=1кН/м³;

       α₁ – коэффициент снижения фильтрационного давления путем установки противофильтрационного устройства, равный 0,5;

       h – высота треугольника, в который вписываем плотину, равная

 

(м)

         

Ширина подошвы плотины по второму  условию:

 

                                                                                    (2.5)

 

где к_с – коэффициент запаса устойчивости сдвигу, принимаемый для   состояния предельного равновесия 1,0;

      f – коэффициент сопротивления плотины сдвигу по основанию, примем равным 0,35.

           Задаваясь  значением n, вычисляем ширину подошвы по первому и второму условиям (2.4), (2.5):

 

При n = 0,2 получим:

 

По первому  условию:       (м),

 

По второму  условию:           (м).

 

 

Аналогичные вычисления производим для  других значений n.

Результаты расчетов сведем в таблицу 2.1:  

Таблица 2.1

I требование		II требование
n	b	n	b
0,2	26,66	0,2	40,80
0,3	28,01	0,3	39,22
0,4	29,54	0,4	37,51
0,5	31,61	0,5	35,95
0,6	34,53	0,6	34,51
0,7	38,90	0,7	33,18

 

По результатам расчетов строим зависимости b = f(n):

Рис.1 Графики зависимостей b₁(n) и b₂(n)

 

Таким образом, искомая ширина подошвы плотины должна отвечать одновременно двум условиям, то есть определяется пересечением двух графиков: b₁(n) и b₂(n) - b = 34,52 м, n=0,6.

 

Ширина по основанию b должна удовлетворять условию:

 

b = (1,5¸2,2)H ,    (2-6)

 

где Н = ÑНПУ – УНБ_min – напор создаваемый плотиной;

 

H = 78 – 62,2 = 15,8 (м),

b = (1,5 ¸ 2,2) 15,8 = (23,7 ¸34,76 ) м.

 

Значение b=34,52 м попадает в интервал, допустимых значений => ширина плотины по основанию найдена правильно.

 

 

2.3 Определение размеров  элементов подземного контура и устройств нижнего бьефа.

 

Схема подземного контура плотины формируется в зависимости от требований, предъявляемых к подземному контуру, типа основания и геологического строения. К основным элементам подземного контура плотины на нескальном основании относятся: понур, фундаментная плита, шпунт; устройства нижнего бьефа: водобой, рисберма с концевым креплением.

 

Понур. Понур делается для снижения фильтрационного давления в основании плотины путем удлинения путей фильтрации.

Принимаем гибкий, глиняный понур. Толщину понура в сечение у плотины определяют из условия:

где H – напор на плотине; J_доп – допускаемый градиент фильтрационного потока для материала понура, для глины примем 6 ([8] стр. 17).

 Толщину у плотины примем 2,6 м, а в верхнем конце 0,7 м.

Длину понура найдем по формуле:

(м).

           Поверх понура отсыпается обратный фильтр толщиной 20 см, на который укладываются бетонные плиты толщиной 0,5 м.

 

Фундаментная плита. Толщина фундаментной плиты равно 2,6 м (п. 2.2). В начале плиты устанавливаем шпунт и забиваем его в водоупор на 2 м для предотвращения контактной фильтрации.

 

Водобой. На протяжении длины прыжка устраиваем крепление русла в виде плиты водобоя длину. Плита водобоя разрезается швами по потоку. Дренажные воды отводят через специальные дренажные колодцы, расположенные на расстоянии:

1/4· L_водоб = 28,90/4 =7,22 м от начала водобойной плиты в три ряда. Толщина плит водобоя 3,20 м (п.2.1).

Для определения длины  можно воспользоваться формулой Павловского для прямоугольного сечения потока за водосливом:

 

,

 

Рисберма и ее концевое крепление. Часть энергии, которая не погасилась на водобое (около 30 - 40 %) гасится на рисберме. На рисберме  происходит уменьшение осредненных скоростей и пульсаций скоростей потока. Рисберму выполняют в виде крепления, постепенно облегчающегося по течению. Бетонные плиты рисбермы укладываются на обратном фильтре. Плиты располагаем в шахматном порядке. Размер плит в плане 10×10 м. Швы между плитами используем в качестве дренажных отверстий, что избавляет от необходимости устройства дренажных колодцев. 

 

 

Длина рисбермы равна:

    (2-7)

 

 

Толщина плит рисбермы определяется по формуле:

 

 

,    (2-8)

 

 

где к_с – коэффициент запаса, принимается равным 1,25;

      h_р – глубина на рисберме.

,           (2-9)

 

где х – расстояние от сжатого сечения до плиты;              

     υ_сж – скорость в сжатом сечении (п.2);

,

   

     h_кр=4,47 м – критическая глубина (п.1.4)

        

Таким образом, толщина плит рисбермы равна:

 

 

Задаваясь значениями x, определим толщину плит рисбермы на всем ее протяжении.

 

 

За первое значение x примем длину водобоя:

 

1) х₁ = 28,90 м

(м).

 

(м)

 

Расстояние до следующих плит от сжатого сечения определяется с  учетом размеров плит в плане (10×10 м).

 

2) х₂ = 28,9 + 10 =38,9 (м);

(м).

 

(м)

 

3) x₃ = 38,9 + 10 =48,9 (м);

(м).

 

(м)

 

4) x₄ = 48,9 + 10 = 58,9 (м);

(м).

 

(м)

5) x₅ = 58,9 + 10 = 68,9 (м);

(м).

 

(м)

6) x₆ = 68,9 + 10 = 78,9 (м);

(м).

 

(м)

 

Концевое  крепление рисбермы устраиваем в  виде ковша, предназначенного для защиты рисбермы от подмыва, с заложением внутреннего откоса m_В = 1:4 и наружного откоса m_н = 1:2. Толщину отсыпки гравийно-песочной в ковше принимаем 1,5 м.

 

Ширина ковша по дну равна:

 

5 · h_кр = 5· 4,47 = 22,35 (м).

 

Максимальная глубина ковша:

,

 

где к_р = 1,1 – коэффициент, зависящий от условий размыва (считаем, что поток

     спокойный);

      υ_н = 1,2 м/с – неразмывающая скорость для грунта дна(гравийно-песчаное);

      q_рисб = 31,2 м²/с – удельный расход на рисберме (п.1.1).

 

(м)

 

Сопрягающие устройства. Сопряжение со зданием ГЭС устраиваем с помощью раздельного устоя, выступающего в сторону верхнего бьефа на длину понура (23,7 м) и в сторону нижнего бьефа на длину водобоя (47,8 м).

Сопряжение  водосливной плотины с земляной осуществляем с помощью устоев и  сопрягающих открылков. Они имеют  форму подпорной стенки. В устое  расположены пазы для затвора.

Быки выполняем  разрезными,  шириной 3 м. Головная часть быка имеет округлую форму для улучшенного обтекания потоком.

 

Шпунт. Шпунт устраивается для увеличения пути фильтрации и снижения противодавления на подошву плотины, что особо важно при сильно фильтрующем основании (гравийно-песчаное). Примем металлический шпунт, их преимуществом является малая водопроницаемость за счет устройства замков. Ширину шпунтин принимаем 50 см. Примем к расчету одношпунтовую схему. Шпунт доходит до водоупора, поэтому длина шпунта определится глубиной залегания водоупора и глубиной забивки в водоупора (2 м). Таким образом, длина шпунта получится равной примерно 7 м.

Шпунт располагаем в самом начале водонепроницаемой части флютбета, так как при этом его эффективность резко возрастает.  

 

2.4 Разрезка плотины швами

 

              Во избежание недопустимо больших напряжений в различных частях бетонной плотины на нескальном основании плотину делим на секции постоянными сквозными температурно-осадочными швами. Разрезку плотины сквозными поперечными швами производим по быкам, чтобы избежать неравномерных осадок смежных быков. Так как основание плотины гравийно-песчаное, то основные осадки ГТС проходят быстро (в период строительства), поэтому нет необходимости производить разрезку швами каждого быка (но швы необходимы для уменьшения температурных напряжений) и по этой причине разрезку выполним через 2 пролета. Так же в теле плотины устраиваем швы-надрезы (т.к. расстояние между швами слишком большое), доходящие до фундаментной плиты.  В пределах фундаментной части сооружения ширину шва назначаем 1 см в нижней части и 3 см - в верхней части; выше фундаментной плиты ширину шва увеличиваем до 10-15 см. Ширину швов-надрезов принимаем 1 см.

              Водопроницаемость швов осуществляем  устройством уплотнений. В нижней  части уплотнения выполняем в  виде оклейки битумными матами  поверхности той секции, которая  бетонируется в первую очередь,  в верхней – в виде асфальтовых  шпонок.

              В температурных швах устраиваем шпонки  размером 15×15 см, в швах шириной 10-15см - 80×150 см.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчет нагрузок и воздействий на сооружение

 

1.   Определение силы волнового давления

 

1. Основное сочетание нагрузок

 

              Рассчитаем основные характеристики  волны - среднюю высоту волны  , среднюю длину волны , средний период волны .

              Определим класс проектируемой  водосливной плотины по СНиП 33-01-2003 «Гидротехнические сооружения. Основные  положения» по табл. Б.1:

 бетонные  плотины с типом грунтов основания Б при высоте сооружения от 25 до 50 м (30,2м) имеют второй класс. Тогда для расчета принимается 2%-ая обеспеченность (при НПУ), 20% при ФПУ.

              Основные характеристики волн определяем в соответствии со СНиП 2.06.04-82* «Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)».

                Рассчитаем величины:

                                                         

 

где L – длина разгона волны, L= 14 км;

      υ_2%=13м/с –расчетная скорость ветра при НПУ    

     t – продолжительность непрерывного действия ветра, t= 6 ч.

 

                                                     

 

     Определим величины ([4], рис. 2,9):

1. при    

2. при

     

  Из полученных выше значений выбираем меньшие:

 

                                          

 

       Из выражения (3.1)  находим среднюю высоту волны:

 

                                       

 

      Из выражения (3.2) определим средний период волны:

 

                                       

 

       Вычислим среднюю длину волны:

 

                                             

 

       Определим зону водоема из условия:  

  где d=ÑНПУ - Ñдна=78-53=25 м – глубина водохранилища.

 

                                       , следовательно,  имеем глубоководную зону.

 

            При расчете прочности и устойчивости  ГТС используют высоту волны  заданной обеспеченности и среднюю  длину волны. Расчетная обеспеченность  высоты волны для сооружений  с вертикальной напорной гранью  и для откосов с креплением  бетонными плитами составляет 1%.