Головной гидроузел с каменно-земляной плотиной и водосбросным сооружением

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

факультет: Инженерный

специальность: Гидротехническое строительство

кафедра: Гидравлики и гидротехнических сооружений

Курсовая работа

ГОЛОВНОЙ ГИДРОУЗЕЛ С КАМЕННО-ЗЕМЛЯНОЙ ПЛОТИНОЙ

И ВОДОСБРОСНЫМ СООРУЖЕНИЕМ

Студент (Ф.И. О) Косачёв И.Ю.

Vкурс, группа ИСМ-103

Руководитель работы: проф., д. т. н. Ляпичев Ю.П.

Заведующий кафедрой: доц., к. т. н. Пономарев Н.К.

Москва 2008

Содержание

Глава 1

Глава 2. Вариант гидроузла с каменно-земляной плотиной

2.1 Паспорт гидроузла. Определение отметки гребня грунтовой плотины

2.3 Прогноз геотехнических характеристик грунтов в материалах плотины: в ядре (суглинок)

2.4 Расчет устойчивости откосов

2.5 Пропуск строительных расходов

2.6 Водосбросное сооружение

2.6.1 Выбор водосброса

2.7 Гидравлический расчет открытого берегового водосброса-быстротока

Глава 3. Плотина из укатанного бетона (УБ-2) (вариант Б)

3.1 Основные характеристики "укатанный бетон" (УБ)

3.1.1 Физико-механические характеристики укатанного и обычного бетонов

3.1.2 Основные факторы, влияющие на прочность на сдвиг в швах УБ

3.1.3 Современное состояние строительства плотин из укатанного бетона в мире

3.2. Современные тенденции в проектировании плотин из укатанного бетона

3.3 Определение отметки гребня плотины из укатанного бетона

3.4 Гидравлический расчет водосбросного сооружения

3.5 Расчеты устойчивости и напряжений в плотине по СНиПу Расчет плотины из укатанного бетона на прочность и устойчивость на сокращенный состав нагрузок (СНиП 2.06.06-85)

Литература

Глава 1

Курсовая работа охватывает дисциплины: гидротехнические сооружения, специальные подземные сооружения, механика грунтов, инженерная гидравлика.

Цель и задачи работы:

Тема данной работы - головной высоконапорный гидроузел на горной реке, сооружаемый для подачи воды в деривационную ГЭС (вопросы гидроэнергетики здесь не рассматриваются). Основными сооружениями гидроузла являются: каменно-земляная плотина на скальном основании, отводящий (строительный) туннель и береговой эксплуатационный водосброс (туннельного или открытого типа). Студент должен разработать рациональную компоновку гидроузла на основе заданных параметров водохранилища, гидрологических и геологических данных; с учетом прогноза геотехнических характеристик грунтовых материалов разработать рациональную конструкцию каменно-земляной плотины, выполнить необходимые суффозионно-фильтрационные и статические расчеты плотины, запроектировать основные элементы ее конструкции с учетом геотехнических характеристик грунтов плотины и основания, а также разработать схему пропуска расходов реки во время строительства и эксплуатации гидроузла, выполнить требуемые гидравлические расчеты и запроектировать водосбросные сооружения гидроузла.

Руководитель работы: проф., д. т. н. Ляпичев Ю.П.

Консультанты по разделам:

Каменно-земляная плотина - проф., д. т. н. Ляпичев Ю.П.

Водосбросные сооружения - проф., д. т. н. Ляпичев Ю.П.

II. Исходные данные для проектирования (задание 11)

а) Топографические данные:

1. План места строительства гидроузла и геологический разрез по его створу /Приложение I/.

б) Гидрологические данные:

Максимальные расчетные расходы реки: строительный расход: Q_10% = 400 м³ /сек, эксплуатационный расход; Q_1% = 1200 м³ /сек.

2. Кривая связи расходов и уровней воды в створе гидроузла

3. Отметка минимального уровня воды НБ: 91,0 м

4. Отметка максимального уровня воды НБ: 94,0 м

5. Расчетная скорость ветра: 28,0 м/сек

6. Максимальная сейсмичность района строительства: 8 баллов

7. Длина водохранилища по направлению господствующих ветров: 3км

в) Задаваемые параметры гидроузла:

1. Класс гидроузла: II

2. Состав основных сооружений: (плотина, водосбросы)

3. Отметка нормального подпорного уровня (НПУ): 145,5 м

4. Отметка уровня мертвого объема: 135,0 м

5. Кривая объемов водохранилища:

г) Геологические условия в створе гидроузла:

1. Физические расчетные характеристики грунтов и скальных пород основания

2. Механические расчетные характеристики пород основания

д) Карьерные грунты:

Расчетные характеристики грунтов:

а) физические характеристики:

б) зерновой состав (содержание в % различных фракций крупностью d, мм)

Состав работы:

В составе работы студенту необходимо:

1. Определить превышение гребня плотины над НПУ с учетом расчетных параметров волны.

2. Разработать противоволновое крепление верхового откоса крупным камнем

3. Выполнить прогноз геотехнических характеристик каръерных грунтов в плотине.

4. Разработать предварительный профиль каменно-земляной плотины с глинистым ядром с учетом природных условий строительства и геотехнических характеристик грунтов плотины.

Выполнить суффозионно-фильтрационные расчеты глинистого ядра плотины, запроектировать обратные фильтры и переходные зоны плотины.

Выполнить расчеты порового давления воды и осадок в глинистом ядре плотины к концу строительства плотины.

Выполнить на компьютере (программа UST) расчеты статической и сейсмической устойчивости откосов плотины во время эксплуатации.

8. На основе выполненных расчетов уточнить профиль плотины с разбивкой его на зоны грунтов, разработать конструкцию гребня плотины, основных элементов сопряжения глинистого ядра плотины со скальным основанием и береговыми примыканиями.

9. Разработать рациональную конструкцию берегового эксплуатационного водосброса (туннельного или открытого) и отводящего (строительного) туннеля с учетом возможности их совмещения.

10. Выполнить гидравлические расчеты эксплуатационного и строительного водосбросов, определив размеры сечений входного, транзитного и концевого участков, режим сопряжения бьефов с учетом устройств нижнего бьефа по гашению энергии потока;

11. Разместить водосбросы и грунтовую плотину на генплане с учетом топографических, гидрологических и геологических условий, добившись рациональной компоновки гидроузла.

Отчетные материалы:

1. Чертежи в ACAD (3 листа формата А3 или А2)

Лист 1. Генплан гидроузла и геологический разрез по створу с показом всех сооружений.

Лист 2. Грунтовая плотина. Результаты расчетов плотины. Поперечники и детали плотины. Лист 3. Эксплуатационный и строительный водосбросы. Продольный и поперечные разрезы.

Примечание: компоновка чертежей, масштабы и степень детализации сооружений устанавливаются студентом при консультации с преподавателем и утверждаются руководителем.

2. Пояснительная записка в Word (формат А4, 25-30 стр).

Введение. Оценка природных условий и исходных данных.

Глава I. Описание компоновки гидроузла с учетом схемы пропуска строительных и эксплуатационных расходов реки.

Глава 2. Каменно-земляная плотина:

1. Расчеты параметров волны и превышения гребня плотины над НПУ.

2. Расчет противоволнового крепления верхового откоса крупным камнем

3. Прогноз геотехнических характеристик грунтовых материалов в плотине.

4. Предварительный профиль каменно-земляной плотины с глинистым ядром.

5. Расчеты фильтрации и выходных градиентов фильтрации в глинистом ядре.

6. Расчеты (подбор) обратных фильтров и переходных зон плотины.

7. Расчеты порового давления воды (закрытая и открытая схемы) и осадок в глинистом ядре к концу строительства плотины.

8. Расчеты на компьютере (программа UST) статической и сейсмической устойчивости откосов плотины во время эксплуатации.

Глава 3. Водосбросные сооружения:

1. Гидравлические расчеты отводящего туннеля.

2. Гидравлические расчеты эксплуатационного водосброса.

3. Расчет режима сопряжения бьефов с учетом устройств НБ по гашению потока.

Список использованной литературы.

Примечание:

Графические материалы, формулы и таблицы, используемые в расчетах или получаемые в результате расчетов, проводятся в пояснительной записке со ссылкой на источники.

В начале записки прилагается задание (план местности, геологический разрез и др.).

Глава 2. Вариант гидроузла с каменно-земляной плотиной

2.1 Паспорт гидроузла. Определение отметки гребня грунтовой плотины

Отметку гребня плотины следует назначать на основе расчета возвышения гребня (h_s ) над расчетным уровнем воды.

Отметку гребня плотины (Гр) следует определять для двух случаев стояния уровня воды в верхнем бьефе (ВБ):

при нормальном подпорном уровне (НПУ), соответствующем пропуску максимального паводка, входящего в основное сочетание нагрузок и воздействий:

Гр = НПУ + h_s =145.5+3,74=149,24 (1)

Из двух полученных результатов расчета выбирают более высокую отметку гребня плотины.

Возвышение гребня плотины h_s , в обоих случаях (Рис.1) определяется по формуле:

h_s = Dh_set + h_{run 1%} + a =0,0011+2.93+0,8=3,74 ( 2)

где Dh_set - ветровой нагон воды в ВБ;

h_{run 1% -} высота наката ветровых волн обеспеченностью 1%;

а - запас возвышения гребня плотины.

Рис. 1. Схема определения отметки гребня грунтовой плотины: а) без парапета; б) с парапетом; 1 - расчетный уровень при НПУ и ФПУ; 2 - парапет: 3 - объем экономии грунта.

При определении первых двух слагаемых формулы (2) следует принимать обеспеченности скорости ветра для расчета элементов волн, наката и нагона при основном сочетании нагрузок и воздействий (при НПУ) по СНиП 2.06.04-82*: для плотин I, II класса - 2% и III, IV класса - 4%. При особом сочетании нагрузок и воздействий (при ФПУ) эти обеспеченности следует принимать для сооружений I - II классов 20%, для III класса - 30%, для IV класса - 50%.

Запас а для всех классов плотин принимают не менее 0,5 м.

При определении высоты наката волн на гидросооружения обеспеченность волн в этой системе принимают равной 1%.

Отметку гребня плотины принимают с учетом строительного подъема, назначаемого сверх определенного по формуле (3-3) возвышения h_s . Величину строительного подъема определяют по расчетной строительной осадке гребня.

При наличии на гребне плотины сплошного парапета, рассчитанного на воздействие волн, возвышение его верха над уровнем ВБ следует принимать не ниже значений, полученных, по формуле (3-3).

Возвышение гребня плотины в этом случае назначают на 0,3 м над НПУ или на отметке ФПУ, причем принимают наибольшую из них. Парапет уменьшает объем насыпи (Рис.1, б ),но появляются затраты на железобетон парапета.

Высота ветрового нагона определяется по формуле:

Dh_set = K_w V_w ² cos a_w / gH = 0,00000282х28² х3000хcos0°/9,81х58,5=0,011 м (6.4)

где a_w - угол между направлением господствующего (расчетного) ветра и продольной осью водохранилища, град.; L - длина разгона волны по направлению господствующих ветров, м; V_w - расчетная скорость ветра на высоте 10 м над НПУ, м/с; H - условная расчетная глубина воды в водохранилище, м; g = 9,81 м/с² ; K - безразмерный коэффициент, зависящий от скорости ветра V_w по формуле:

K = 3 (1+0,3 V_w ) 10⁷ =0,00000282 (3)

При определении элементов ветровых волн водоемы делят на отдельные зоны. В ВБ обычно имеют место глубоководная зона (), где дно не влияет на основные характеристики волн, или мелководная зона ( ), в которой дно оказывает влияние на развитие волн и их основные характеристики (H ₁ - расчетная глубина воды; - средняя длина волны в глубоководной зоне; Н_кр - критическая глубина воды, при которой происходит первое обрушение волн).

Высоту наката на откос волн обеспеченностью 1% по накату (h_{run 1%} , м) для волн 1% обеспеченности (h _1% ) при глубине воды перед сооружением H ₁ 2 h _1% определяют по формуле:

=0,72х0,55х1,6х2,02х1х2,29=2,93 (4)

где значения высоты бегущей волны обеспеченностью 1% (h _1% ) и коэффициентов К _r , К _p , K_sp и K_run определяются либо по номограммам и таблицам СНиП 2.06.04-82* [2] с погрешностью до 10%, либо точнее по нижеследующим зависимостям, полученным на основе обработки этих номограмм и таблиц. Это позволяет избежать ошибок при интерполяции данных номограмм и таблиц и проанализировать влияние отдельных факторов на высоту наката.

Для нахождения высоты волны обеспеченностью 1% (h _1% ) следует знать среднюю высоту , средний период Т и среднюю длину волн в глубоководной или мелководной зоне.

В глубоководной зоне указанные параметры волн находятся по следующим новым расчетным зависимостям:

средняя высота волны. (h_d , м)

(5)

где находится по зависимости:

(6)

в которой параметр А равен меньшему значению из величин (L / V_w ) или (0,5 t ); V_w - расчетная скорость ветра, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с² ; L - расчетная длина разгона волн, м; t - продолжительность действия ветра, принимаемая для предварительных расчетов t = 21600 с. Средний период волны (Т , с)

(7),

где = (8)

средняя длина волны (, м)

(9)

В расчетах устойчивостии прочности креплений откосов из бетонных плит и каменной наброски расчетная обеспеченность i % высоты волн равна, соответственно, 1 и 2%, а при определении наката волн i = 1%.

Высота волны 1% обеспеченности в глубоководной зоне равна:

(10)

где К _i - коэффициент, определяемый по следующей формуле:

(11)

в которой i - принятая обеспеченность, %; L - длина разгона волны, м; а - показатель степени равный:

приi 1 а = 0,14 (1 + 0,01i ); (12)

приi <1 a =0,14i ^0.25; (13)

Высота волны 1% обеспеченности в глубоководной зоне (h_{d 1%} ) будет равна:

(14)

где K _1% находится по формулам (6.13 - 6.16) при i = l, т.е.

(15)

В формуле (6.17) К _r и К _p - коэффициенты шероховатости и проницаемости откоса, зависящие от типа крепления, могут быть определены по следующим зависимостям:

= (16)

где r - средний размер шероховатости, м (средняя крупность материала крепления или средний размер бетонных блоков).

В формуле (16) при значениях r / h_{d 1%} 0,002 и r / h_{d 1%} 0,2, соответственно, следует принимать К _r = 1 и К _p = 0,9.

При r / h_{d 1%} =0,13 принимаю К _r = 0,72 и К _p = 0,55.

К _p = ( 0,9 - r / h_{d 1%} ) К _r (17)

в которой при значениях выражения (0,9-r / h_{d 1%} ) <0,7 следует принимать (0,9 - r / h_{d 1%} ) = 0,7; К _r - определяется по (16).

Коэффициент К _sp в формуле (3-6), зависящий от расчетной скорости ветра и крутизны верхового откоса, может быть определен по формуле (18):

К _sp =0,11 [0,15 - V_w (l+0,4m ₁ ) - 0,6m ₁ + 8_, 5] =0,11 [0,15х28 (1+0,4х1,8) - 0,6х1,8+8,5] =1,6 (18)

в которую при скорости ветра V _w >20 м/с и V _w <10 м/с следует подставлять, соответственно V _w =20 м/с и V _w =10 м/с, а при заложениях верхового откоса m ₁ >5 величину К _sp =1,6 для значений V _w >20 м/c и K_sp =1,2 для значений V _w <10 м/с.

Коэффициент пологости волны K_run в формуле (5) зависит от крутизны (заложения m ₁ ) верхового откоса и может быть определен при глубине воды перед сооружением H₁ 2 h_{d 1%} по следующим зависимостям:

при m ₁ 1,5

K_run = l,25 + lg (l + 6) (19)

при m ₁ >1,5

(20)

При глубине воды перед сооружением H ₁ <2 h_{d 1%} и при значениях m ₁ >l,5 вместо формулы (3-22) действует формула:

(21)

Полученные по формулам (20) и (21) значения K_run следует ограничивать величиной K_run 2,6 - 2,7.

Коэффициент K_β в формуле (3-6), учитывающий угол β подхода фронта волны к плотине (угол β можно принять равным углу α _w между продольной осью водохранилища и направлением ветра, β =α _w ), определяется по зависимости:

=1 (22)

где β =0 - угол подхода фронта волны, град.

Высота наката на откос волн, произвольной обеспеченности i ,% по накату определяется по формуле:

м (23)

где К_{н i -} коэффициент, учитывающий обеспеченность по накату, значения которого определяют по формуле:

(24)

в которой i - заданная обеспеченность по накату,%.

В случае мелководной зоны (H ₁ ) для определения высоты наката волны пользуются формулой (6.6), а высоту и длину волны корректируют по зависимостям:

(25)

(26)

где и - средние значения высоты и длины волны;

и - коэффициенты, определяемые по формулам:

= 1,06 { [2-H ₁ /] H ₁ /] }^0,38 (27)

= { [2,15 - H ₁ /] H ₁ /}^0,42 (28)

2.3 Прогноз геотехнических характеристик грунтов в материалах плотины: в ядре (суглинок)

При проектировании грунтовых плотин необходимо знать физико-механические (геотехнические ) свойства грунтовых материалов, приготавливаемых из местных грунтов карьеров или полезных выемок гидросооружений (последнее обычно предпочтительнее).

В грунтовых плотинах свойства грунтов можно регулировать, изменяя их зерновой состав, влажность, метод укладки (послойная статическая или вибрационная укатка, наброска без укатки, отсыпка в воду), которые определяют плотность укладки грунтов и как следствие, их прочность, деформируемость и водопроницаемость.

В грунтовых плотинах глинистый грунт обычно используют в водоупорных элементах (ядре или экране), в нашем случае в ядре. В плотину глинистый грунт стремятся укладывать при оптимальной влажности W_{on т} , при которой при выбранном методе уплотнения (тип катка, число его проходок, толщина слоя) достигается максимальная плотность сухого грунта γ_сух ^макс . В общем случае W_{on т} грунта зависит от типа катка и числа его проходок. В нашем случае W_{on т} =10,68%. .

Оптимальную влажность глинистого грунта определим методом Проктора (стандартного), т.к у нас легкий каток.

Согласно методу Проктора (табл.6.6) грунт испытывают в лаборатории на уплотнение ударной нагрузкой. Опыты проводят в стальном цилиндре диаметром 100, 150 и 350 мм в зависимости от максимальной крупности частиц грунта (соответственно, 20, 32 и 60 мм), в который укладывают последовательно 3 или 5 слоев грунта и утрамбовывают его падающим грузом


29-04-2015, 00:35