Подпорный гидроузел

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский национальный технический университет

Кафедра гидротехнического и энергетического строительства

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

по дисциплине

Гидротехнические сооружения

Тема:

Подпорный гидроузел

Минск-2012

Оглавление

Введение

. Компоновка сооружений гидроузла

2. Конструирование поперечного профиля и элементов плотины

Гребень плотины

Бермы плотины

Откосы плотины

Крепление откосов

Дренаж

Противофильтрационное устройство

. Фильтрационные расчёты

5. Расчёт устойчивости низового откоса

. Гидравлические расчёты водосбросного сооружения

Консольный перепад

Подводящий канал

Головная часть сопрягающего сооружения

Расчёт быстротока

Сопрягающее сооружение (консольный перепад)

Литература

Введение

Цель дисциплины «Гидротехнические сооружения» - дать студентам необходимые знания в области проектирования и строительства гидротехнических сооружений. Основная задача дисциплины - научить будущих специалистов ставить и решать вопросы, возникающие при проектировании, строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений, применяющихся на водохозяйственных объектах.

Курсовой проект «Подпорный гидроузел» является частью данной дисциплины. Его задачей является составление и расчетное обоснование в соответствии с действующей нормативной литературой проекта подпорного гидроузла, состоящего из грунтовой плотины и паводкового водосброса. Работа над проектом должна закрепить знания, получаемые студентом при изучении соответствующих разделов курса, а также способствует приобретению опыта и навыков проектирования гидротехнических сооружений.

Таким образом, актуальность данной дисциплины, обусловлена необходимостью ставить и решать вопросы, возникающие при проектировании, строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений, применяющихся на водохозяйственных объектах.

Целью курсового проекта «Подпорный гидроузел» является составление и расчетное обоснование в соответствии с действующей нормативной литературой проекта подпорного гидроузла, состоящего из грунтовой плотины и паводкового водосброса.

1. Компоновка сооружений гидроузла

Гидроузел, как правило, представляет собой комплекс гидротехнических сооружений общего и специального назначений. Поэтому под компоновкой гидроузла понимается такое взаимное расположение входящих в него сооружений, которое наиболее эффективно обеспечивает решение намечаемых задач.

При проектировании гидроузла, вначале выбирается створ, в котором будет располагаться будущий гидроузел, представляющий собой плотину и водосброс.

Створ плотины выбирается таким образом, чтобы плотина имела минимальную длину, а ось водосброса (перпендикулярная оси плотны) находилась в пределах русла.

Грунтовая плотина неоднородна: представлена телом плотины отсыпанного из мелкозернистого песка, и ядра, представленного суглинком, с характеристиками:

Отметка гребня плотины - 213,2 м

Максимальная высота плотины в русле реки - 26,2 м

Заложение верхового откоса - 3

Заложение низового откоса - 2,5

2. Конструирование поперечного профиля и элементов плотины

Основной задачей проектирования земляных насыпных плотин является выбор устойчивого и экономичного поперечного профиля. Поперечный профиль плотины состоит из гребня и откосов. Основные его размеры (отметка гребня плотины, его ширина, заложение и очертание откосов плотины) зависит от типа плотины и ее основания, а также условий строительства и эксплуатации.

2.1 Гребень плотины

Обычно используется для устройства автомобильной или железной дорог. В соответствии с заданием принимается ширина гребня 12,0 м (категория автодороги по гребню плотины- III).

Отметка гребня плотины назначается на основе расчёта необходимого возвышения его над уровнем воды в верхнем бьефе (НПУ).

Возвышение гребня плотины h_s определяется:

h_s=Dh_set+h_run1%+a.

a- запас возвышения гребня плотины, принимаемый не менее 0,5 м:

Dh_set- ветровой нагон воды в верхнем бьефе,

a._w=31⁰- угол между продольной осью водоёма и направлением ветра, град

k_w=2,6*10^-6- коэффициент определяемый по таблице:

V_w=V_wz*k_z*k_fl - расчётная скорость ветра на высоте 10м над поверхностью водоёма, м/с

K_fl = 1- коэффициент пересчета данных по скоростям ветра, измеряемый по флюгеру

V_wz =15 м/с - заданная скорость ветра на высоте 15 м над уровнем водоёма

k_z=0.95- переводной коэффициент

V_w=15*0.95*1=14,25 м/с

L=9000 м - длина разгона волны, м

d- глубина воды в верхнем бьефе при расчётном уровне (за расчётный уровень принимать ), м

d=210-187= 23 м

Вычисляется Dh_set методом последовательных приближений

Приближение прекращаем, принимаем Dh_set =0, 016 м.=1,6 см.

Заложение откосов принимается следующие: верхового m_в=3 , низового m_н=2,5

h_run1%-- k_rk_pk_spk_runh_1%

h_run1%- высота наката на откос волн обеспеченностью 1%, м

k_r,k_p-коэффициенты, принимаемые по таблице: k_r=1; k_p=0.9

k_sp=1.3- коэффициент, принимаемый по таблице:

k_run- коэффициент, принимаемый по графику в зависимости от пологости волны l_d/h_d1% на глубокой воде;

h_1%- высота волны 1%-ной обеспеченности, м.

h_1%=hk_1%

h- средняя высота волны, определяемая для глубоководной зоны, которая чаще всего имеет место в ВБ земляных плотин, определяется по графику в зависимости от безразмерных величин gt/V_w и gL/V²_w. Из двух найденных значений h принимается в качестве расчётного меньшее.

k_1%-коэффициент, принимаемый по графику

t- непрерывная продолжительность действия ветра, с. При отсутствии сведений принимается t= 6 ч, т. е. 21600 с.

gt/V_w = 9.81*21600/14,25=14854,7

откуда

gh/V²_w = 0.11 gT/V_w=4,7

далее

gL/V²_w = 9.81*6000/14,25² = 433,3

откуда

gh/V²_w = 0.035 gT/V_w=2,4

В итоге h=0,725 м и T = 3,49 c

Тогда h_1%= 0,725*2,1=1,5225м

Средняя длина волны l определяется l=gt/2p

l=9.81*3,49²/2*3.14 =19,03 м ≈ 19 м

l_d/h_d1%=19,03/4,4 =12,5 откуда k_run= 1.5

h_run1%= 2,67м;

h_s=0,016+2,67+0,5= 3,2м.

Окончательно высота грунтовой плотины

H_пл=d+h_s

H_пл= 23+3,2= 26,2 м

Отметка гребня плотины - +213,2

.2 Бермы плотины

2.3 Откосы плотины

Принимаются в зависимости от высоты плотины

Заложение верхового откоса 3

Заложение низового откоса 2,5

2.4 Крепление откосов

В связи с тем, что откосы грунтовой плотины подвержены разрушающим воздействиям ветровых волн, течений воды, льда, атмосферных осадков их необходимо крепить.

Мероприятием по укреплению низового откоса является посев трав на откосе.

Верховой откос крепится монолитными ж/б плитами.

Толщина монолитных плит определяется из условия устойчивости, В данном курсовом проекте толщину ж/б плит назначаем конструктивно d_п=0,2 м

.5 Дренаж

Данное устройство предназначено для:

-   сбора и организованного отвода профильтровавшейся через тело плотины воды в НБ

-        с целью недопущения выхода фильтрационного потока на незащищённый низовой откос плотины

         с целью понижения кривой депрессии, для повышения устойчивости низового откоса и предотвращения попадания кривой депрессии в зону промерзания

         с целью ускорения консолидации глинистых грунтов тела плотины и основания и тем самым уменьшения порового давления.

Дренажный банкет устраивается на участках грунтовой плотины, перекрывающих русло и затопляемую пойму. Его выполняют из камня путём отсыпки в воду. Превышения гребня дренажного банкета над уровнем воды в НБ принимается 0,5 м. Отметка гребня дренажного банкета- +191,5. Обратный фильтр состоит из двух слоёв.

Коэффициенты заложения откосов дренажного банкета:

Верховой- 1

Низовой- 1

.6 Противофильтрационное устройство

Представляет собой ядро, возведённые из местного грунта - суглинка. Согласно рекомендациям толщина ядра по верху назначается из условия производства работ и должна быть не менее 0,8 м (при использовании современный средств механизации обычно не менее 3 м). К низу толщина экрана увеличивается. Толщина ядра понизу назначается таким образом, чтобы градиенты фильтрационного потока были меньше их критических значений.

Принимаем толщину ядра по верху 3 м, по низу - 5 м.

гидравлический гидроузел плотина водосброс

3. Фильтрационные расчёты

Фильтрационные расчеты земляных плотин выполняются с целью определения положения депрессионной кривой, установления градиентов и скоростей фильтрационного потока и определения фильтрационного расхода. Результаты фильтрационных расчетов используются для проверки устойчивости откосов плотины, для определения фильтрационной прочности грунта тела плотины и основания, а также для обоснования принятых размеров поперечного профиля плотины и дренажных устройств.

Выполнить расчет фильтрации через земляную плотину с ядром и дренажной призмой можно при следующих исходных данных:

Высота плотины 26,2 м.

Глубина воды в нижнем бьефе 5 метров, в верхнем бьефе 23 метра.

Заложение верхового откоса 3, низового 2,5, внутреннего откоса дренажной призмы 1.

Коэффициенты фильтрации грунта основания (К_осн=10^-6 м/с ), ядра (К_я=10^-6м/с), тела плотины (К_т =10^-4м/с).

δ^в_я=3 м

δ^н_я=5 м.

Расстояние от начала координат до сечения L=74 м, расстояние от бровки низовой грани ядра до бровки низового откоса дренажной призмы l₂ =67 м.

Используется метод виртуальных длин, по которому плотина с ядром приводится к однородной.

к_я^’= к_я+ (2*к_ос* )/[π*(H_в+H_н)]*ln(2*l₂/ δ^н_я+)

к_я^’=10^-6+(2*10^-6*4)/(3.14*28) * ln(2*67/5+=1.362 *10^-6

=10^-4/(1,362*10^-6)*4=293,7 м.

Координаты кривой депрессии:

4. Расчёт устойчивости низового откоса

Расчёт устойчивости низового откоса ведётся по методу круглоцилиндрических поверхностей скольжения (обрушения). Расчёт устойчивости откоса выполняется для плоской задачи, т.е. на 1 м.п. длины плотины.

Величины R_n=43,23; R_B=74,67

 м

Коэффициент запаса устойчивости низового откоса определяется по формуле А.А. Ничипоровича

K_s = ,

где G_i - вес грунта и воды в пределах i -го отсека;

Р_i - равнодействующая давления воды по подошве i -го отсека;

j_i - угол внутреннего трения грунта i -го отсека;

a_i - угол между вертикалью и линией, соединяющей центр

кривой скольжения с серединой i -го отсека;

c_i - удельное сцепление грунта i-го отсека по линия кривой скольжения

В общем случае, если в пределах рассматриваемого отсека про-

ходит кривая депрессии, а над отсеком имеется столб воды, вес его определяется по формуле

G_i = (g_{i +}g ^н_{iт.п. +}  g^н_{i ос} + h_ig_w) b_i ,

где  - высота части отсека, от линии откоса до кривой депрессии, измеренная по его середине;

 - высота части отсека, насыщенного водой (от подошвы плотины до кривой депрессии);

 - высота части отсека от кривой скольжения до подошвы плотины;

h_i - высота столба воды над отсеком;

g_i, g ^н_iт.п., g^н_{i ос}- -удельный вес грунта естественной влажности и грунта тела плотины и основания насыщенного водой ;

g_w - удельный вес воды.

При расчете устойчивости низового откоса в условиях установившейся фильтрации равнодействующая давления воды будет состоять из фильтрационного и взвешивающего давления и определяется по формуле:

Р_{i =}( + )bi/cosa_i

 кН/м³

 кН/м³

 кН/м³

В состав консольного перепада входят лоток быстротока и консольная часть. Служащая для отброса струи воды на безопасное расстояние с точки зрения подмыва сооружения. Чаще всего консоль располагается горизонтально, иногда ей придается обратный уклон от 0 до 15 градусов. Длина обычно 1…2 м. В зависимости от геологический условий и размера консоли конструкция ее опор может быть свайной, стоечной или рамной. Подошва крайних опор назначается ниже дна воронки размыва.

.2 Подводящий канал

Подводящий канал должен обеспечивать плавный подвод воды к водосливу. В плане он обычно имеет криволинейное очертание. Поперечное сечение подводящего канала трапецеидальное с заложением откосов 2,0 в нескальных грунтах. Дно и откосы его укрепляются каменной наброской.

.3 Головная часть сопрягающего сооружения

Головная часть сопрягающего сооружения представляет собой водосливную плотину с широким порогом прямолинейного очертания в плане. Водосливной фронт плотины делится быками на отдельные водосливные отверстия, перекрываемые рабочими и ремонтными затворами.

Гидравлический расчет водосливной плотины с широким порогом состоит в определении размеров (ширины и высоты) водосливных отверстий, их количества и проверки пропускной способности принятых размеров водосливных отверстий по формуле:

Q = s_n emnb

где s_n =1,0- коэффициент подтопления водослива;

e- коэффициент бокового сжатия;

m - коэффициент расхода водослива;

H₀ - напор на водосливе с учетом скорости подхода;

g - ускорение свободного падения;

n - количество водосливных отверстий;

b - ширина водосливного отверстия.

В первом приближении принимают s_n = 1,0, e = 1,0 ,

m = 0,38 и H₀=H=4м. Величиной H задаются 4 м в соответствии со стандартными размерами отверстий.

Подставляя в формулу ориентировочные значения s_, e, m и H определяют величину n.b.

Тогда Nb=35,4 м

Принимается количество отверстий 3 каждое пролётом 8 м.

После определения высоты (H), ширины (b) и количества водосливных отверстий производится проверка пропускной способности проектируемой плотины.

Для этого необходимо уточнить значения H₀, m, e и s_n.

Напор с учетом скорости подхода определяется по зависимости

Н₀ = Н + ,

где g - ускорение силы тяжести, принимаемое равным 9,81 м²/с;

a - коэффициент Кориолиса, равный 1;

V₀=2,58м/с - скорость подхода, равная средней скорости в ВВ в сечении, отстоящем от напорной грани водослива на расстоянии (3...5) Н.

Н₀ = 3 + ,

Т.к. непосредственно за головной частью устраивается сопрягающее сооружение (перепад), то водосливная плотина с широким порогом будет неподтоплена и коэффициент подтопления s_n = 1.

Коэффициент бокового сжатия для водосливов с широким порогом определяют по А.Р. Березинскому

e = 1 - ,

где р =0- высота водослива;

a = 0,1 - при плавном очертании быков и устоев;

b = 8 м - ширина водосливного отверстия;

d=3.7 м - толщина бычка.

Толщина неразрезного бычка

d = 2d₀ + 2n,

здесь d₀ =1 м - толщина суженного пазами перешейка быка;

n =  =0.18м - глубина паза рабочих затворов;

d = 1 + 2*1=3 м

e = 1 -0,17099*0,919*(1-0,7142)=0,955

- при закругленном входном ребре

Уточнив таким образом все выше перечисленные параметры, производят проверку пропускной способности принятых размеров водосливных отверстий

Q = s_nmenb H₀^3/2³ Q_р.п.

Q = 1*0,952*0.36*32*3.475^3/2=314.5м³/с³ Q_р.п.=293м³/с

5.4 Расчёт быстротока

Определим критический уклон быстротока :

h_кр=³√ α*Q²/b²*g = ³√1*293²/9,81*29.2²=2.17 м

i_кр= Q²/ ω²_кр*С²_кр*R_кр=293²/105.12²*99.45²*2.9=0.00027

Расчёт быстротока:

длина быстротока l_б=560м;

перепад высот H_бдо  водослива - консоли = 207.0 - 197.0 =10м

уклон лотка i= H_б/l_б=10/560=0,018 ;Q=293м/с.

Глубина на входе в быстроток(h₁) принимается равной критической глубине:

h₁=(αQ²/b²g)^1/3=(1*293²/29,2²*9,81)^1/3=2,17 м

Определим нормальную глубину(h₂=h₀) методом подбора из уравнения равномерного движения: Q=ωC√Ri_o

V=Q/ω=293,93/26,106=11,26 м/с

По табл. П5 (Круглов; 339) принимаем бетон М100 V_доп=12,5м/с h < 0,5м

ω _кр=b*h_кр=2,17*29,2=63,4м²

χ_кр=b+2*h_кр=29,2+2*2,17=33,54 м

R_кр= ω _кр/ χ_кр=63,4/33,54=1,9 м

С_кр=(1/n)*R^1/6=1/0,014*1,9^1/6=79,5 м^0,5/с (n=0,014)

где ω _кр, χ_кр ,R_кр ,С_кр - соответственно площадь живого сечения, смоченный периметр, гидравлический радиус и коэфф-т Шези

C_ср=(С₁+С₂)/2=(83,84+79,5)/2=81,67 м^0,5/с

χ_ср=( χ₁+ χ₂)/2=(25,18+33,54)/2=29,36 м

J_ср=Ј*С²_ср*b*i/g* χ_ср=1*81,67²*29,2*0,018/9,81*29,36=12,17

Определяем модули расхода в конце и в начале быстротока по формуле:

K= ω*C*√R

K₁=105,12*99,45*√2,9=17802,8

K₂=26,106*83,84*√1,04=2232,1

Определяем модули расхода в конце и в начале быстротока по ф-ле:

X=2*lg(K₁/K₂)/lg(h₁/h₂)=2*lg(17802,8/2232,1)/lg(2,17/1,14)=0,51

Используя уравнение Бахметьева для уточнения h₂:

i₀*L/h₀=η₂- η₁ -(1- j_ср)*[φ(η₂) - φ(η₁)]

где η₁ и η₂ функции относительных глубин:

η₁=h₁/h₀ ; η₂=h₂/h₀

*0,018/1,14= η₂-1,9-(1-12,17)*[ φ(η₂)-0,117)

,84= η₂-3,61-(-11,17)*[ φ(η₂)-0,117)

η₂+11,17* φ(η₂)=13,76

η₂=1,017; φ(η₂)=1,13

,17+11,17*1,13=13,7

h₂/h₀= η₂=1,017 =>h⁽¹⁾₂=1,017*1,14=1,16 м

Делаем перерасчёт;

ω ₂=b*h⁽¹⁾₂=29,2*1,16=33,85м²

χ₂=b+2*h⁽¹⁾₂=29,2+2*1,16=31,52 м

R₂= ω ₂/ χ₂=33,85/31,52=1,074 м

С₂=(1/n)*R^1/6 ₂=1/0,014*1,074^1/6=72,3 м^0,5/с (n=0,014)

C_ср=(99,45+72,3)/2=84,87 м^0,5/с

χ_ср=(33,54+31,52)/2=32,53 м

K₂= ω₂*C₂*√R₂

K₂=33,85*72,3*√1,074=2361,54

J_ср=1*84,87²*29,2*0,018/9,81*32,53=11,86

X=2*lg(K₁/K₂)/lg(h₁/h₂)=2*lg(17802,8/2361,51)/lg(2,17/1,16)=0,477.

Определяем скорость в конце быстротока:

V₂=Q/b*h₂=293/29,2*1,16=8,65 м/с.

5.5 Сопрягающее сооружение (консольный перепад)

Гидравлический расчет консольного перепада заключается в расчеты быстротока, определения дальности полета струи и размеров воронки размыва. Дальность полета струи при горизонтальной консоли:

l₁=0.45*φ*V* (p+ h) ^1/2= 0,45*0,86*8,65*(5+1,16)^1/2=8,31м

где φ - коэффициент скорости, зависящий от высоты падения струи;

h- глубина воды в конце консоли (принимается равной глубине, вычисленной в конце быстротока h₂);

V - скорость в конце быстротока;

p - высота падения струи.

Скорость входа падающей струи в воду воронки размыва

V₀= (V²_x + V²_y)^1/2=(8,04²+9,45²)^1/2=12,4м/с

V²_x, V²_y - горизонтальная и вертикальная составляющие скорости входа в воронку размыва, м/с/

Горизонтальная составляющая определяется по формуле:

V_x=φ*V=0.93*8,65=8,04 м/с

А вертикальная по формуле:

V_y= φ*=0,86*(2*9,81*(5+1,16))^1/2=9,45 м/с

Длина растекания падающей струи в воронке размыва

L=1.4*q*lgV₀/(K*V_доп)=1,4*293/29,2*lg12,4/(0,75*0.66)=31.03 м

где q - удельный расход в месте падения струи в воду воронки размыва, м/с²;

V_доп - допустимая скорость для грунта в воронке размыва, м/с (приложение 2,3 [2]);

К=0,7…0,8 - коэффициент уменьшения допускаемой скорости.

Наибольшая глубина воды в воронке размыва

t=A*K_р*=

=1*1,4*[293/29,2*(5+12.4²/2/9,8)^1/2)^1/2]=8.4 м

где А - коэффициент аэрации, принимаемый по таблице в зависимости от глубины воды (h) и скорости (V) в конце консоли, А=;

К_р - коэффициент размыва, принимается в зависимости от рода грунта и угла наклона струи, входящей в воронку размыва.

Глубина воронки размыва (от дна отводящего канала):

t₁=t-h_НБ=8.4-5=3.4 м.

Литература

1. Богославчик П.М., Круглов Г.Г. «Проектирование и расчеты гидротехнических сооружений».- Мн.: БНТУ,2003.- 363с.

. Богославчик П.М., Круглов Г.Г. Подпорный гидроузел. Учебно-методическое пособие к курсовому проекту по дисциплине «Гидротехнические сооружения» для студентов спец. Т.19.06- “Водоснабжение, водоотведение, очистка природных и сточных вод”.- Мн.: БГПА, 2001.- 81с.

. Под ред. Круглова Г.Г., «Гидротехнические сооружения комплексных гидроузлов» для студентов специальности «Водохозяйственное строительство», Минск - 2006