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
2.3Окончательное 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 230 .
Напор над оголовком Н = 0,4 м.
Высота входного оголовка Р = 1,5 м.
Разность бьефов z = НПУ-НБ = 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 плотинприменяют, 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 + hн + a (1)
где:Δh – высота ветрового нагона волны;
hн – высота наката волн на откос плотины;
a – конструктивный запас, принимаемый как большее из значений 0,5 м и 0,1h0,1% ;
0,1h0,1% - 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 Z нпу и Z фпу – 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 КΔ и КНП зависят от типа и относительной шероховатости крепления откоса и определяются по таблице 1.2.
Табл. 1.2.Значения коэффициентов КΔ и Кнп
| Конструкция крепления откоса | r/h1% | K | K нп |
| Бетонные или железобетонные плиты | - | 1.00 | 0.90 |
| Гравийно-галечниковые, каменные или бетонные (железобетонные) блоки | Менее 0.002 |
1.00 | 0.90 |
| 0.005…0.010 | 0.95 | 0.85 | |
| 0.02 | 0.90 | 0.80 | |
| 0.05 | 0.80 | 0.70 | |
| 0.10 | 0.75 | 0.60 | |
| Более 0.2 | 0.70 | 0.50 |
Из таблицы (1.2.) при креплении откоса железобетонными плитами коэффициенты К и Кнп принимаем равными: КΔ = 1.0; Кнп=0.9.
Коэффициент Кс зависит от скорости ветра и коэффициента заложения верхового откоса (m1 = 3). определяется по таблице 1.3.
Табл. 1.3.Значения коэффициента Кс
Скорость ветра, м/с |
Заложение откоса | |||
| 0.4 | 0.4…2 | 3…5 | 5 | |
| 20 | 1.3 | 1.4 | 1.5 | 1.6 |
| 10 | 1.1 | 1.1 | 1.1 | 1.2 |
а) так как при НПУ скорость ветра W=20 м/с., то по таблице находим Кс=1.5;
б) так как при ФПУ W=10 м/с, следовательно по таблице находим Кс=1.1
Значение коэффициента К принимается в зависимости от угла подхода фронта волны к плотине.
Табл. 1.4.Значения коэффициента К
| , град | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 |
| К | 1 | 0.98 | 0.96 | 0.92 | 0.87 | 0.82 | 0.75 |
Примем его равным 0,84.
Коэффициент КНГ
определяется по графикам. Для того, чтобы его определить, рассчитаем величину 
:
при НПУ:
;
, Кнг = 1.30;
при ФПУ:
, Кнг = 1.53.
Коэффициент КHJ учитывает вероятность превышения J (%) по накату. Как уже упоминалось ранее, по СНиП для третьего класса сооружений J принимается равным 4%. Соответственно, КHJ = 0,93.
Табл. 1.5. Значения коэффициента КHJ
| j , % | 0.1 | 1 | 2 | 5 | 10 | 30 | 50 |
| КHJ | 1.1 | 1.0 | 0.96 | 0.91 | 0.86 | 0.76 | 0.68 |
Подставим все найденные коэффициенты в формулу (5) и определим высоту наката волны 4%-ной вероятности превышения:
при НПУ:
при отметке ФПУ:
По зависимости (1) вычисляем требуемое превышение гребня плотины над расчётным уровнем:
при НПУ:
при ФПУ:
Отметка гребня плотины соответственно должна быть равна:
при НПУ:
при ФПУ:
В качестве расчетного значения отметка гребня плотины принимаем Zгр ср = 15,0 м.
Т.к. отметка берега равна 0 м относительно Балтийской системы, можно определить расчётную высоту плотины:
Нпл = 0 + 15,0 = 15,0 м.
В конструктивном отношении гребень выполняют, как дорогу в насыпи, которая состоит из проезжей части, обочины, ограждения и дренажных устройств. Проезжая часть имеет основание и покрытие. На песчаную подушку укладывают покрытие в зависимости от категории дороги. Покрытие имеет двусторонний поперечный уклон. С обеих сторон дороги на расстоянии 
м от бровки ставят ограждения: столбики через 4…6 м, низкие стенки.
1.2 Конструирование тела плотины
Грунтовая плотина представляет собой насыпь трапецеидального сечения. Общий вид плотины показан на рис. 1.
Один из основных вопросов проектирования грунтовой плотины – определение устойчивого и экономически выгодного её профиля. Размеры поперечного профиля зависят от типа плотины, её высоты, характеристик грунта тела плотины и её основания, а также условий строительства и эксплуатации.
При конструировании гребня плотины руководствуются условиями производства работ и эксплуатации плотины. Т.к. необходимо обеспечить проезд транспорта и сельскохозяйственной техники, то назначаем его ширину в соответствии с нормами на проектирование дорог. По СНиП 2.06.05–84 ширина гребня плотины должна быть не менее 4,5 м. Принимаем её равной 7,0 м по таблице (в зависимости от категории дороги) /1/.
Так как в нашем случае гребень плотины состоит из глинистого грунта, то во избежание его пучения при морозах необходимо предусматривать защитный слой из песчаного грунта или щебня.
Отметку гребня плотины мы определили в разделе 1.1.
При выборе коэффициентов заложения откосов руководствуются тем, что они должны быть устойчивыми при воздействии статических и динамических нагрузок, фильтрации, капиллярного давления, волн и прочих нагрузок.
Верховой откос устраивают более пологим, чем низовой, так как он больше насыщен водой.
Заложение откосов назначают в зависимости от рода грунта, высоты плотины и свойств основания. В соответствии с таблицей 1.6. для однородных плотин из глинистого грунта при высоте менее 15 м коэффициент заложения верхового откоса m1 = 3, коэффициент заложения низового откоса m2 = 2,5.
Табл.1.6.Среднее заложение откосов земляных плотин
| Высота | |||||
| 5 | 5…10 | 10…15 | 15…50 | 50 | |
| Верховой откос m1 | 2.0…2.5 | 2.25…2.75 | 2.5…3.0 | 3.0…4.0 | 4.0…5.0 |
| Низовой откос m2 | 1.75…2.0 | 1.75…2.25 | 2.0…2.5 | 2.5…4.0 | 4.0…4.5 |
Следует отметить, что в данном курсовом проекте используются средние по высоте заложения откосов. Реальные откосы, особенно у плотин значительной высоты, обычно имеют ломаное очертание с постепенным увеличением пологости к подошве, что позволяет запроектировать более экономичный профиль сооружения.
Для предохранения низового откоса от размыва сосредоточенным потоком дождевых и талых вод через 10 – 15 м по высоте устраивают горизонтальные площадки – бермы шириной 2 – 3 м , а при необходимости проезда по ним – шириной до 6 м . У внутреннего края бермы устраивают кювет для перехвата дождевых и талых вод и отводу их в общую систему дренажа плотины.
Однако в данном курсовом проекте мы не будем предусматривать устройство берм.
Противофильтрационные устройства проектируют из грунтовых и негрунтовых материалов. Конструктивно их выполняют в виде экрана, понура, ядра, диафрагмы, зубьев, шпунтовых стенок и др.
При проектировании противофильтрационных устройств необходимо обеспечить их сопряжение друг с другом, с основанием по подошве и в береговых примыканиях, то есть создать противофильтрационную завесу, конструкцию которой принимают на основе технико-экономического сравнения различных вариантов /1/.
1.3 Фильтрационный расчет тела плотины
В соответствии со СНиП 2.06.05–84 фильтрационные расчёты следует выполнять для определения фильтрационной прочности тела плотины; расчёта устойчивости низового откоса плотины; обоснования необходимости противофильтрационных устройств.
В ходе выполнения расчётов определяют положение депрессионной кривой, фильтрационный расход воды через тело плотины и её основание, место выхода фильтрационного потока в дренаж, в нижний бьеф.
Способы и схемы фильтрационных расчётов с большой надёжностью разработаны для плотин, расположенных на водонепроницаемом основании. Под водонепроницаемым понимают такое основание, коэффициент фильтрации которого по сравнению с коэффициентом фильтрации плотины настолько мал, что может быть приравнен к нулю.
Рассчитаем фильтрацию через тело плотины методом эквивалентного профиля для основных типов плотин. В этом методе реальный поперечный профиль плотины заменяют эквивалентным в фильтрационном отношении профилем. В соответствии со СНиП предполагают два допуска:
1) фильтрация в теле плотины не зависит от вида грунта, а только от геометрических размеров;
2) трапецеидальный профиль плотины условно превращают в призму.
Строим кривую депрессии по уравнению:
(7)
где: у – ордината кривой депрессии;
Н – глубина воды в верхнем бьефе;
q – расход фильтрационного потока через тело плотины:
(8)
где: Кф - коэффициент фильтрации тела плотины. Кф = 0,3 м/сут .
Lp – ширина эквивалентного профиля плотины по основанию:
(9)
Величину ΔL определяем по формуле:
(10)
где β – коэффициент, учитывающий крутизну верхового откоса, определяемый по формуле Г.К. Михайлова:
(11)
где: m1 - коэффициент заложения верхового откоса. m1 = 3
; 
Величину L определяем по следующей зависимости:
, (12)
где: m2 - коэффициент заложения низового откоса. m2 = 2,5
bгр – ширина гребня плотины. bгр = 7 м
d – превышение над расчётным уровнем воды. d = 2,96 м
;
.
Рассчитаем высоту выхода депрессионной кривой на низовой откос над уровнем основания плотины в нижнем бьефе:
, (13)
Рассчитаем расход
29-04-2015, 00:43