2.1.Контруирование отдельных элементов подземного контура плотины.

Дата: 2025-05-01; Просмотры: 4

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Саяно-Шушенский филиал

институт

Фундаментальной подготовки

кафедра

Курсовой проект

Речные Гидротехнические Сооружения

наименование дисциплины

Бетонная плотина на нескальном основании

тема

Преподаватель __________ Л.С. Пермякова

подпись, дата инициалы, фамилия

Студент СБ11-01 1104226 В.И Вольвич

номер группы номер зачетной книжки подпись, дата инициалы, фамилия

рп. Черемушки. 2014г.

ВВЕДЕНИЕ

«Вода – драгоценный дар природы,

которая создаёт жизнь там,

где её не было».

А.Н.Карпинский

Плотины на нескальном основании, как правило, это массивные гравитационные плотины с развитым в горизонтальном направлении подземным контуром, водосливная часть в НБ которых оборудуется устройством, предназначенным для гашения кинетической энергии потока.

Цель данного курсового проекта является проектирование бетонной водосливной плотины на нескальном основании. Основными задачами данного курсового проекта являются: гидравлический расчет водосливной части, расчет основных конструкций водослива и других элементов. При проектировании предстоит собрать нагрузки действующие на сооружение , обеспечить устойчивость и прочность будущего сооружения, а так же решить вопрос о максимальном снижении фильтрационного противодавления, обеспечить неразмываемость подстилающих грунтов путем устройства противофильтрационных конструкций, устройства для гашения кинетической энергии потока воды.. Соблюсти все предъявляемые требования к данному типу сооружения.

1. Гидравлический расчет

1.1 Определение ширины водосливного фронта

Определяется расчётный расход; сбрасываемый через водосливную плотину при НПУ с учётом работы всех сооружений гидроузла:

где - максимальный основной расход,

Ширина водосливного фронта:

где - удельный расход на водосливе,

где - удельный расход на рисберме,

где - не размывающая скорость песка 3,3 м/с, - глубина воды в НБ , определена по графику Q = f ( H ) при , м:

Таким образом:

Принимаю в = 20 м в соответствии с регламентом заводов- изготовителей, количество пролетов . Так как должно быть целым числом , принимаем м, тогда следовательно м

1.2 Определение отметки гребня водослива

Используя формулу расхода через водослив А, определим полный напор на водосливе в первом приближении, т.е. без учёта бокового сжатия и подтопления водослива:

где - коэффициент расхода водослива безвакуумного профиля, принимаем в курсовом проекте очертание водосливной стенки Кригера- Офицерова типа А (m = 0,49) (см. рис 1.)

Рисунок 1. Очертание водосливной стенки Кригера-Офицерова тип А

Таким образом:

Во втором приближении, с учётом бокового сжатия и подтопления, полный напор на водосливе:

где - коэффициент бокового сжатия, зависит от условия входа для одного пролета , - коэффициент подтопления (принимается равным единице)

где - ширина одного пролёта, - коэффициент формы береговых устоев или промежуточных берегов водослива , принятый из справочника П.Г. Киселева. [1] (см. рис. 2)

Рисунок 2. Форма боковых устоев

Отсюда:

Геометрический напор на гребне водослива:

где - скорость подхода потока к плотине, коэффициент Кориолиса,

где - полная ширина с учётом быков, формуле Березинского =0,25*20=5 м , где в ширина пролета. При наличии деформационного шва по оси быка, его толщину увеличивают на 1м, следовательно .

Таким образом, полный напор:

Напор должен быть округлен в большую сторону по стандартному ряду, округляю до

Отметка гребня водослива определяется по формуле:

1.3 Проверка на пропуск поверочного расхода

Проверим достаточность водопропускной способности водосливной плотины. Определяется расчетный расход поверочного случая, сбрасываемый через водосливную плотину с учетом работы всех сооружений гидроузла:

где - максимальный поверочный расход, - максимальный расход, требующийся для выработки установленной мощности станции,

Напор над гребнем водослива при пропуске поверочного расхода будет равен:

Во втором приближении, с учётом бокового сжатия и подтопления, полный напор на водосливе:

где - коэффициент расхода водослива при изменении напора.

Для водослива практического профиля при условии : может быть вычислен по формуле:

),

где коэффициент расхода при напоре Н_пр , т.е при напоре для которого строится профиль водосливной плотины

Н_пр=Н_ст =6 м

Проверим условие:

, условие соблюдается.

Коэффициент расхода водослива при изменении напора:

* )=0,49

Отсюда:

Скорость подхода потока к плотине:

Напор на гребне водослива без учёта скорости подхода при пропуске поверочного расхода:

Расчётная отметка форсированного уровня:

Расчётная отметка оказалась меньше заданной, но исходя из условий эксплуатации водохозяйственного комплекса принимается большая из отметок, следовательно принимаю

По проектному напору H= H_ст определяются координаты для построения оголовка плотины практического профиля .

Табличные координаты взяты из таблицы 6-12 П.Г Киселева [1] домножаем их на величину H_ст =6 м.

Таблица 1. Координаты для построения оголовка безвакуумного водослива

с оголовком профиля А

Рисунок 3. Оголовок водосливной плотины типа А

Нижнюю часть сливной грани очерчивают по дуге R, она определяется высотой плотины и напором на водосливе.

Высота плотины:

Таблица 2.Определение радиуса нижней сливной грани.

	Н=6м
20	11
30	13,5

Методом интерполяции получаем R=11,25 м

1.4 Расчет сопряжения потока в нижнем бьефе

При протекании воды через водослив вследствие падения струи скорость потока возрастает и достигает наибольшего значения непосредственно за водосливом в так называемом сжатом сечении C-C (рис. 4). Глубина в сжатом сечении непосредственно влияет на установление формы сопряжения бьефов и поэтому имеет важное значение для дальнейшего расчёта.

Рисунок 4 . Оголовок и сжатое сечение

Основной случай:

Критическая глубина:

Полная удельная энергия в сечении перед водосливом:

где - высота плотины, - полный напор, при скоростью подхода можно пренебречь и считать .

Проверим условие:

м²

м²

м²

Условие выполняется следовательно можно считать м

По отношению:

Находим по таблице 3 методом интерполяции коэффициент скорости, учитывающий потери напора в пределах сооружения:

Таблица 3. Значение коэффициента скорости для криволинейных водосливов

	1,5	1	0,5	0,3	0,16	0,1
	0,99	0,98	0,96	0,93	0,9	0,88

Относительная полная удельная энергия:

Используя и определяю по графику А.Н. Рахманова из Р.Р. Чугаева "Гидравлика" [2] и :

Сопряженные глубины равны:

По кривой связи Q = f ( H ) определим глубину в нижнем бьефе по _. =3600 м³/с :

Так как =10,56м> h_{H Б} =7,2м, из этого следует, что прыжок отогнанный

Поверочный случай:

Критическая глубина:

Полная удельная энергия в сечении перед водосливом:

где - высота плотины

м, если

Проверим условие:

м²

м²

м²

Условие выполняется .

По отношению:

Находим по таблице 3 методом интерполяции коэффициент скорости, учитывающий потери напора в пределах сооружения:

Относительная полная удельная энергия:

Используя и определяю по графику А.Н. Рахманова из Р.Р. Чугаева "Гидравлика" [2] и :

Сопряженные глубины равны:

По кривой связи Q = f ( H ) определим глубину в нижнем бьефе по _. =4200 м³/с :

Так как =11,87м> h_{H Б} =7,8м, из этого следует, что прыжок отогнанный

1.5 Определение отметки пола водобоя

При определении отметки пола водобоя рассматриваем три расчетных случая.

1.Основной случай: одно отверстие открыто полностью, m отверстий приоткрыто на 0.2H_ст.

Расход нижнего бьефа определим по формуле:

Q _НБ = Q _ГЭС + Q ₁ + q _пр∙ b ∙ m

Q _НБ =700+580+7,59∙20∙3=1735,4 м³/с

где: Q ₁ − расход одного полностью открытого отверстия при ос­новном расчетном случае:

m − количество приоткрытых отверстий, принимаем m=0.5n=0.5∙5=2,5.

принимаем m=3.

q _пр − удельный расход приоткрытого отверстия:

где: – коэффициент вертикального сжатия при истечении из-под щита равный 0,64 ( при острой кромке затвора);

– коэффициент скорости равный 0,97,

- величина приоткрытого отверстия.

Отметка УНБ определяется по кривой связи Q = f ( H ) при Q _НБ =1735,4м³/с ,

h _НБ =182−178=4 м

2. Поверочный: все отверстия открыты полностью при пропуске поверочного расхода. В верхнем бьефе - ФПУ, в ниж­нем — максимальный уровень нижнего бьефа (при Q_{no в} ).

Расход нижнего бьефа:

Q _НБ = Q _пов =4200 м³/с Отметка УНБ определяется по кривой связи Q = f ( H ) при Q _НБ =4200 м³/с

h _НБ =185,8−178=7,8 м

3. Одно отверстие открыто полностью. В верхнем бьефе НПУ, в нижнем бьефе уровень при Q_НБ.

Расход нижнего бьефа определю по формуле:

Q _НБ = Q ₁ +0.8 Q _ГЭС =580+0.8∙700=1140 м³/с,

где: Q ₁ =580 м³/с -расход через одно открытое отверстие, определен на странице 11.

q _пр − удельный расход приоткрытого отверстия определен на странице 12.

Отметка УНБ определяется по кривой связи Q = f ( H ) для Q _НБ =1140 .

h _НБ =180,2−178=2,2 м

1.5.1 Учет растекания потока в нижнем бьефе при определении

Вторая сопряженная глубина с учетом растекания может быть определена по уравнению пространственного гидравличе­ского прыжка М.З. Абрамова:

где: − число Фруда;

А и Б − коэффициенты, принимаемые в зависимости от отношения ширины растекания потока в НБ к ширине одного пролета (Вр/ b ) ; - первая сопряжен­ная глубина для условия плоской задачи; q _вб - удельный расход на водобое.

Определяется коэффициент уменьшения второй сопряжен­ной глубины за счет растекания потока в нижнем бьефе:

Расчет ведем для трех случаев.

1. Основной случай.
Дано:

м

м

Ширина растекания воды в НБ:

В_р=( b + )(п−т)=(20+6)*(5-3)=52 м,

Удельный расход в сжатом сечении:

из этого отношения методом интерполяции определяем коэффициенты А и Б

Таблица 4. Значение коэффициентов А и Б в зависимости от соотношения Вр/b

А=0,372 ; Б=9,92

Число Фруда равно:

Вторая сопряженная глубина с учетом растекания:

м

Коэффициент уменьшения второй сопряжен­ной глубины:

2.Поверочный случай.

Дано:

м

м

Ширина растекания воды в НБ:

B_p = b + =20+6=26 м,

Удельный расход в сжатом сечении:

из этого отношения методом интерполяции определяем коэффициенты А и Б ( по таблице 4). А=0,476; Б=8,36

Число Фруда равно:

Вторая сопряженная глубина с учетом растекания

м

Коэффициент уменьшения второй сопряжен­ной глубины:

3. Одно отверстие открыто полностью.

Дано:

м

м

Ширина растекания воды в НБ:

B_p = b +2 tga ∙1_в=20+2tg13°∙37,19=37,17 м

Удельный расход в сжатом сечении

определен на странице 14.

где: l_в - длина водобойного колодца. При наличии на водобое га­сителей l_в = =0,81_пр=0,8*46,49=37,19 м; при отсутствии гасителей l _е = l _пр ; а - угол растекания потока, принимается а= 13°.

Длина прыжка для условия плоской задачи:

м

из этого отношения определяем методом интерполяции коэффициенты А и Б ( по таблице 4). А=0,431; Б=9,032

Число Фруда равно:

Вторая сопряженная глубина с учетом растекания:

Коэффициент уменьшения второй сопряжен­ной глубины:

1.5.2 Определение второй сопряженной глубины с учетом работы гасителей

Для гашения пульсационных скоростей потока и уменьше­ния энергии гидравлического прыжка на водобое установим шашки трапецеидальной формы.

Рисунок 5. Схема расположения шашек

Основной случай:

Дано:

м

м

h _НБ =4 м

Размеры шашек:

высота:

h_ш= (0,8÷1,1) =0.98∙1.47=1,5 м

ширина:

b_ш = (0,75÷1) =0.98∙1.47=1,5 м

Вторая сопряженная глубина с учетом работы гасителей оп­ределяется из уравнения прыжковой функции (при расположе­нии шашек в два ряда).

90,84=90,84

где: — вторая сопряженная глубина при наличии гасителей; R ₀ - реакция гасителя:

здесь: - площадь миделева сечения гасителя, =h_щ∙b_ш=1,5*1,5=2,25м;

коэффициент обтекания гасителей; v _г - скорость потока перед гасителем.

Методом подбора определяем :

Задаем

, следовательно берем

Поверочный случай:

Дано:

м

м

h _НБ =7,8 м

Скорость потока перед гасителем:

Реакция гасителя:

Вторая сопряженная глубина с учетом работы гасителей оп­ределяется из уравнения прыжковой функции (при расположе­нии шашек в два ряда).

115=115

Методом подбора определяем :

Задаем

, следовательно берем

Для третьего случая : принимаю также как и для основного,

1.5.3 Глубина водобойного колодца

Глубина колодца для основного случая:

м

Глубина колодца для поверочного случая:

м

Глубина колодца для третьего случая:

м

где σ- коэффициент запаса, σ=(1.05÷1.15), принимаем σ=1.1.

Принимаем максимальную глубину водобойного колодца м , тогда отметка пола водобоя будет равна:

м

Длина водобоя l_в =37,19 м определена на странице 16.

Проверяем выполняется ли условие при котором прыжок будет затоплен:

Условие соблюдается, следовательно прыжок затоплен.

2.Назначение размеров основных элементов плотины.

2.1.Контруирование отдельных элементов подземного контура плотины.

2.1.1Понур

Назначение понура – уменьшать фильтрационный расход и снижать противофильтрационное давление в основании плотины путем удлинения путей фильтрации.

Так как основание подошвы плотины суглинок , то будем принимать анкерный понур в виде железобетонных плит толщиной 0,7 м.

Длина анкерного понура назначается:

м

м,

где м, при

Для эффективности анкерного понура, устроим над ним противофильтрационный слой из глины толщиной 3м , а под ним дренажа.

2.1.2 Шпунтовые стенки и завесы

Шпунтовые стенки, завесы и зубья – вертикальные противофильтрационные элементы, предназначенные для снижения фильтрационного давления на подошву плотины и снижения градиента потока над сооружением.

Т.к. основание суглинистое, принимаем бесшпунтовую схему подземного контура.

2.1.3 Дренажные устройства

Для отвода профильтровавшейся воды, снятия фильтрационного давления на сооружение, предотвращения разрушения грунта основания под подошвой сооружения устраивают дренажи.

Выполняются дренажи из грунтового материала с повышенным коэффициентом фильтрации по отношению к контактирующему с ним грунту. В последнее время в качестве дренажа используют пористый бетон и минеральные волокнистые материалы.

Устраиваем двухслойный пластовый дренаж под частью фундаментной плиты толщиной 1 м, под частью водобоя толщиной 1 м и под всей площадью рисбермы толщиной 0,3 м. Минимальная толщина дренажей принимается по конструктивным и производственным соображениям 0,2 м. Суммарная толщина дренажа не более 1,5 м.

3.Конструирование плотины.

3.1 Определение ширины подошвы плотины.

Задача проектирования состоит в том, чтобы при заданной высоте сооружения найти минимальную ширину сооружения по основанию. Наиболее экономичным является треугольный профиль плотины, имеющий минимальную ширину понизу.

Но при своей экономичности этот профиль должен удовлетворять двум условиям:

1) отсутствие растягивающих напряжений в бетоне;

2) устойчивость тела плотины против сдвига по основанию.

Рисунок 6. Схема треугольного профиля плотины.

Бетон слабо сопротивляется растяжению, в нем недопустимо появление трещин с напорной грани, что может привести к появлению опасной фильтрации со всеми вытекающими последствиями.

Исходя из условия недопущения растягивающих напряжений на верховой грани, определяем ширину подошвы плотины

где коэффициент, учитывающий потерю фильтрационного давления за счет устройства противофильтрационных завес, дренажей и шпунтов, принимаемый 0,5;

Отметка подошвы плотины равна:

где – толщина водобойной плиты, определяется по формуле В.Д. Домбровского:

где - скорость в сжатом сечении, – глубина в сжатом сечении для основного случая;

Скорость в сжатом сечении равна:

Определим отметку подошвы плотины:

Исходя из условия устойчивости плотины против сдвига по основанию, определяем ширину подошвы плотины

где коэффициент трения бетона по грунту, принимаемый 0,5;

коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый в зависимости от класса сооружения 1,15.

Задаваясь различными n, несколько раз определяем по двум формулам (таблица 5), и строим графики зависимости (рис. 7). Точка пересечения графиков определит расчетную ширину подошвы.

Таблица 5.

n
0,1	26,615	41,63
0,2	27,133	39,648
0,3	27,846	37,845
0,4	28,799	36,2
0,5	30,062	34,692
0,6	31,75	33,304
0,7	34,054	32,023

Рисунок 7. Определение ширины подошвы плотины

Графики пересекаются в точке и следовательно ширина подошвы плотины равна 32,6 м.

3.2. Разрезка плотины швами

Во избежание недопустимо больших напряжений в различных частях бетонной плотины на нескальном основании, появляющихся при неравномерных осадках основания и при температурных деформациях, плотину делят на секции сквозными температурно-осадочными швами. Разрезку плотины производят чаще по быкам, чтобы избежать неравномерных осадок смежных быков, что может привести к заклиниванию затвора.

На суглинистых грунтах разрезается каждый бык.

Деформационные температурно-осадочные швы устраивают вертикальными толщиной 4–5 см в верхней части и 1–1,5 см в пределах фундаментной плиты. Толщина швов-надрезов – 1–2 см.

Уплотнение швов осуществляется в виде шпонок.

3.3 Быки

Оголовок быка выполняется полукруглым, так как разрезается сквозным температурно-осадочным швом. Толщину разрезного быка принимаем 6 м. Минимальная толщина между пазами 0,8м.

В нижнем бьефе отметку верха уступа быка принимаем на 1,2 м выше максимальной отметки уровня нижнего бьефа. Быки выдвинем в верхний бьеф для обеспечения условий пропуска транспорта. Ширина по гребню быка, отведенная для устройства дороги составляет 22 м.

3.4 Устои

Устои предназначены для защиты примыкающей к водосливу земляной плотины или берега от размыва; для обеспечения плавного растекания потока в нижнем бьефе; для предотвращения опасного воздействия фильтрации в зоне примыкания водосливной плотины к земляной или берегу; служат опорами для затворов и мостов.

Различают устои сопрягающие, устраиваемые для сопряжения водосливной плотины с грунтовой или берегом, и раздельные, которые отделяют водослив от глухой бетонной плотины или здания ГЭС.

4.Проектирование бетонной водосливной плотины.

4.1 Определение отметки гребня грунтовой плотины и гребня быка.

Дано:

За отметку гребня плотины принимается большая из двух, вычисленных по формулам:

где превышение гребня плотины над расчетным уровнем в верхнем бьефе :

где