Водосливная плотина на нескальном основании

Размещено на http://www.allbest.ru/

Водосливная плотина на нескальном основании

1. Описание естественных условий створа, компоновка гидроузла

плотина бьеф гидравлический нескальный

Описание заданных условий створа производится на основании исходных данных. В описании следует указать особенности топографии заданного створа. В частности: ширину створа на отметке НПУ, на других отметках, соответствующих пропуску характерных расходов; бытовые глубины в реке и глубину водохранилища перед плотиной.

Пояснить геологическое строение основания, в таблице привести физические характеристики заданных грунтов.

Компоновка гидроузла, в данном случае, предполагает определение взаимного расположения глухой и водосливной плотины по ширине створа. Целесообразно водосливную плотину разместить вблизи стрежневого сечения на более пологом берегу. При этом следует учесть необходимость сохранить свободным не менее 40% ширины русла при уровне соответствующем пропуску расхода Q_10%, чтобы обеспечить пропуск строительных расходов.

2. Определение класса капитальности сооружения и основных размеров глухой плотины

Постоянные гидротехнические сооружения, в частности плотины, разделяются на четыре класса капитальности. В соответствии с классом капитальности сооружения, согласно нормативным документам, устанавливаются дифференцированные требования:

а) по прочности и устойчивости;

б) по долговечности;

в) по степени надежности сооружений против разрушающего воздействия природных факторов.

Определяя класс капитальности, следует учитывать последствия при их аварии или нарушения эксплуатации.

При установлении класса капитальности необходимо предварительно определить примерную высоту плотины, для чего к глубине воды перед сооружением, следует прибавить запас (2?3 м). По полученной примерной высоте плотины и виду грунтов основания, определенному по инженерно-геологическому разрезу (исходные данные), по табл. можно определить класс капитальности сооружения.

№ п/п	Грунты основания плотины	Классы капитальности сооружения
		I	II	III	IV
		Высота плотины (м)
1	Глина	более 50	25?50	15?25	менее 15
2	Прочие	более 75	35?75	15?35	менее 15

Крутизну откосов плотины надлежит назначать исходя из условия их устойчивости с учетом:

а) физико-механических характеристик грунтов откосов и основания;

6) действующих на откосы сил: собственного веса, влияния воды (взвешивания, фильтрационных сил, капиллярного давления), сейсмических, динамических, внешних нагрузок на гребне и откосах и др.;

в) высоты плотины;

г) производства работ по возведению плотины и условий ее эксплуатации.

Однако в начальной стадии проектирования сооружения учесть все указанные факторы невозможно, поэтому при предварительном назначении крутизны откосов допускается пользоваться аналогичными данными построенных сооружений.

Ориентировочные значения заложений откосов земляных насыпных плотин из глинистых и песчаных грунтов при наличии в основании грунтов с прочностью не меньшей, чем в теле плотины.

Высота плотины (м)	Заложение откосов
	верхового - mh	низового - mt
10…15	2,5…3,0	mh - (0,25?0,50)
15…50	3,0…4,0
более 50	4,0…5,0

В плотинах высотой более 15 м, как правило, следует предусматривать устройство берм (горизонтальных или слабонаклонных площадок) как на верховом, так и низовом откосах:

- для возможности проведения надзора за состоянием покрытия откосов и ремонта его;

- для увеличения ширины плотины по основанию в целях удлинения пути фильтрации;

- при включении в тело плотины перемычек строительного периода.

Полезно иметь бермы и в местах изменения заложения откосов.

Берму также необходимо предусмотреть и на верховом откосе ниже отметки УМО на величину 2•h_1% (h_1% - высота волны однопроцентной обеспеченности) для осуществления более устойчивой конструкции упора крепления верхового откоса. На низовом откосе бермы устраивают через 8?12 м по высоте (но не реже чем через 15 м) с целью заглубить поверхность депрессии от откоса на глубину, большую глубины промерзания грунта плотины, обеспечения служебного (в некоторых случаях и транзитного) проезда, сбора и отвода талых и ливневых вод, размещения контрольно-измерительной аппаратуры (КИА). Для сбора стекающих по откосу вод на внутренней стороне бермы устраивают кювет с выпуском воды из него в лотки, уложенные по нижерасположенному откосу. Берме придают уклон 0,02?0,03 в сторону кювета. Ширина берм выбирается из условий производства работ эксплуатации и составляет 2?6 м.

Устройство берм не должно вести к положению откоса, определенного расчетом.

Ширину гребня плотины В_ГП следует устанавливать в зависимости от условий производства работ и эксплуатации (использование гребня для проезда, прохода и других целей), но не менее 4,5 м.

При размещении на гребне плотины автодороги ширина гребня принимается равной ширине земляного полотна автомобильной дороги соответствующей категории.

Категория автодороги	Ширина (м)
	Проезжей части	Обочин	Разделительной полосы	Земляного полотна
I	15,0	3,75	5,0	27,5
II	7,5	3,75	-	15,0
III	7,0	2,50	-	12,0
IV	6,0	2,00	-	10,0
V	4,5	1,75	-	8,0

Ширину гребня плотины в местах сопряжения с другими сооружениями или берегами следует устанавливать в соответствии с конструкцией сопряжения и назначением создаваемых площадок. Например, при сопряжении бетонной водосливной плотины с земляной гребень последней расширяется для образования площадки, на которой возможно устройство затворохранилища, проведение ремонта крана, обслуживающего водосливные отверстия, и т.п.

Покрытие проезжей части дороги, проходящей по гребню плотины (асфальтобетон, бетонные плиты, каменная мостовая, уплотненный щебень), выполняют в соответствии с категорией дороги. Его укладывают на подготовку из песчаных, гравийных или щебенистых грунтов.

Для организованного стока атмосферных вод гребню придают односторонний или двусторонний уклон, равный 0,02?0,04, а на обочинах устраивают ливнестоки.

По краям гребня предусматривают ограждения в виде волнозащитного парапета (со стороны верхнего бьефа) или различных ограждающих устройств по обочинам дороги, служащие ориентирами при движении транспорта. Отметку гребня плотины следует назначать с учетом возвышения его над расчетным уровнем воды. Возвышение гребня плотины надлежит определить для двух случаев:

а) при нормальном подпорном уровне (НПУ) и расчетной скорости ветра;

б) при форсированном подпорном уровне (ФПУ) и поверочной скорости ветра.

В обоих случаях возвышение гребня плотины , (м):

(1)

где: - ветровой нагон воды в верхнем бьефе, (м);

- высота наката ветровых волн обеспеченностью 1%, (м);

- запас возвышения гребня плотины, (м).

Ветровой нагон воды должен, как правило, приниматься по данным натурных наблюдений, а при их отсутствии определяется по формуле:

 (2)

где: - коэффициент, при скорости ветра =10; 20; 30; 40; 50 м/с соответственно равный 1,2•10^-6; 2,1•10^-6; 3,0•10^-6; 3,9•10^-6; 4,8•10^-6;

- расчетная (поверочная) скорость ветра, (м/с);

- длина разгона волны в водохранилище, (м);

- глубина воды в водохранилище при расчетном уровне (НПУ или ФПУ), (м);

- ускорение свободного падения, (м/с²).

Высоту наката на откос ветровой волны обеспеченностью 1% для фронтально подходящих волн следует определять по формуле:

(3)

где: и - коэффициенты, принимаемые в зависимости от типа крепления и его шероховатости.

Характеристика крепления откоса	Относительная шероховатость	Коэффициент Kr	Коэффициент Kp
Бетонными и ж/б плитами	-	1,0	0,9
Гравийно-галечниковое, каменное, крепление бетонными или ж/б блоками	менее 0,002	1,0	0,9
	0,005…0,01	0,95	0,85
	0,02	0,9	0,8
	0,05	0,8	0,7
	0,1	0,75	0,6
	более 0,2	0,7	0,5

- коэффициент, принимаемый в зависимости от скорости ветра и коэффициента заложения защищаемого откоса.



mh	0,4…2,0	3,0…5,0	Примечание
Для скорости ветра 20 м/с и более	1,4	1,5	При скорости ветра 10<<20 м/с значение коэффициента определяется путем интерполяции
Для скорости ветра 10 м/с и менее	1,1	1,1

- коэффициент, зависящий от пологости волны и заложения верхового откоса.

- высота волны 1% обеспеченности (м), определяемая по зависимости:

(4)

где: - средняя высота волны, (м);

- коэффициент, зависящий от безразмерной величины:

(5)

Значение	Коэффициент при значениях mh
	2,0	2,5	3,0	4,0	5,0
7	1,6	1,25	1,1	0,8	0,67
10	1,9	1,5	1,3	0,95	0,78
15	2,3	1,8	1,7	1,2	0,96
20	2,5	2,1	1,95	1,4	1,1

	0	300	500	1000	1500	2000	4000
	2,07	2,10	2,12	2,16	2,19	2,21	2,27

- средняя длина волны, определяемая по формуле:

(6)

где: - средний период волны, (с);

- ускорение свободного падения, (м/с²).

По значению безразмерной величины (6) по верхней огибающей кривой определяют значения:

и (7)

По (7) определяют среднюю высоту и средний период волны .

Запас по высоте плотины , определяют независимо от ее класса, как большую из величин 0,5 м и .

Отметку гребня плотины следует назначить по менее благоприятному случаю по формулам:

(8)

(9)

2.1 Пример расчета

Исходные данные:

- Топографические и геологические условия;

- Максимальный расчетный расход - ;

- Максимальный поверочный расход - ;

- Нормальный подпорный уровень - ;

- Форсированный подпорный уровень - ;

- Уровень мертвого объема - ;

- Расчетная скорость ветра - ;

- Поверочная скорость ветра - ;

- Длина разгона волны в водохранилище - ;

- Категория автодороги - 1;

- Класс капитальности сооружения - II;

- Ширина гребня плотины ;

- Заложение верхового откоса ;

- Заложение низового откоса .

Для первого случая:

Ветровой нагон воды в верхнем бьефе:

- коэффициент, принятый в зависимости от расчетной скорости ветра, равной 24 (м/сек).

Высота наката ветровых волн обеспеченностью 1% определяем по (3):

где: и для крепления верхового откоса бетонными плитами (по табл. 2.4);

- коэффициент, определяемый по табл. 2.5;

Высота волны 1% обеспеченности по (4):

;

- коэффициент, определяемый по табл. 2.7 в зависимости от безразмерной величины (5):

 - коэффициент, определяемый по табл. 2.6 в зависимости от заложения верхового откоса и пологости волны:

Средняя длина волны по (6):

Средняя высота и средний период волны определяются по верхней огибающей графика в зависимости от безразмерной величины (5).

Запас по высоте плотины:

а=0,5 (м) т.к. 0,5>0,1·h_1% (0,1·2,27=0,227 м)

Возвышение гребня плотины по (1):

Отметка гребня плотины по (8):

Для второго случая:

Ветровой нагон воды в верхнем бьефе:

 - коэффициент, принятый в зависимости от поверочной скорости ветра, равной 10 (м/сек).

Высота наката ветровых волн обеспеченностью 1% определяем по (3):

где: и для крепления верхового откоса бетонными плитами;

- коэффициент;

Высота волны 1% обеспеченности по (4):

;

- коэффициент, определяемый по табл. 2.7 в зависимости от безразмерной величины (5):

- коэффициент, определяемый по табл. 2.6 в зависимости от заложения верхового откоса и пологости волны:

Средняя длина волны по (6):

Средняя высота и средний период волны определяются по верхней огибающей графика в зависимости от безразмерной величины (5).

Запас по высоте плотины:

а=0,5 (м) т.к. 0,5>0,1·h_1% (0,1·0,85=0,085 м)

Возвышение гребня плотины по (1):

Отметка гребня плотины по (8):

Отметку гребня плотины принимаем по менее благоприятному случаю:

По результатам расчета и принятым размерам на миллиметровой бумаге (формат А4) или при помощи AutoCAD оформляется разрез глухой грунтовой плотины.

3. Гидравлический расчет водосливной плотины

Задача расчета - определение требуемой ширины водосливного фронта B, ширины водосливного пролета b, количество пролетов n, расчетного напора Hр, отметки порога водослива .

В первом приближении ширина водосливного фронта B', (м):

(10)

где: - заданный расчетный расход (м³/сек);

- предварительно заданный удельный расход на водосливе (м²/сек):

(11)

где: - удельный расход на рисберме.

Грунт основания	Песок	Супесь	Суглинок	Глина
(м2/с)	20…30	30…40	40…50	50…60

Напор на гребне водослива Н' (предварительное значение), (м):

(12)

где: m=0,49 - коэффициент расхода безвакуумного водослива практического профиля.

Полученная величина по (12) округляется до стандартного значения в большую сторону, что дает искомый напор Н:



Стандартные значения Н, (м)	5,5	6,0	6,5	7,0	7,5	8,0	8,5	9,0	10,0	11,0	12,0	13,0

Отметка порога водослива определяется по формуле, (м):

(13)

На основании полученного значения B' принимается ширина пролетов b и их количество n.

При этом учитывается следующее:

- минимальное количество пролетов - два;

- количество пролетов должно быть кратно двум, так как предполагается включение в секцию плотины двух пролетов;

- отношение желательно иметь равным 1,5?2,5, что связано с экономичной формой плоского затвора;

- величина не должна существенно отличаться от B' (±5%);

- ширина b.

Стандартные значения b, (м)	7,0	8,0	10,0	12,0	14,0	16,0	18,0	20,0	22,0	24,0

Для пропуска поверочного расхода через водосливную плотину с принятыми размерами, должно выполняться условие:

(14)

где: - расход, пропускаемый при , (м³/сек);

- коэффициент, учитывающий сжатие потока:

(15)

 - коэффициент, учитывающий подтопление водосливной плотины:

при (16)

где: - превышение уровня нижнего бьефа над при пропуске
наибольшего расхода, (м);

- напор на водосливе при , (м):

(17)

Если условие (14) выполняется, то принятые ранее значения - не требуют корректировки.

Общая ширина водосливной плотины , (м):

(18)

где: - толщина бычка, , но не менее 2,5 м.

3.1 Пример гидравлического расчета

Исходные данные:

- Максимальный расчетный расход - ;

- Максимальный поверочный расход - ;

- Нормальный подпорный уровень - ;

- Форсированный подпорный уровень - ;

- Грунт основания плотины - супесь.

В первом приближении ширина водосливного фронта по (10):

где: - удельный расход на водосливе по (11):

- удельный расход на рисберме для грунта основания супеси.

Предварительный напор на водослив определяем по (12):

Принимаем искомый напор Н=8,0 (м).

Отметку порога водослива определяем по (13):

На основании полученного значения B'=75,0 (м) и Н=8,0 (м) принимается ширина пролетов b и их количество n:

b=18,0 (м), n=4 (шт.), b/H=2,25, n·b=72,0 (м).

- коэффициент, учитывающий сжатие потока по (15):



- коэффициент, учитывающий подтопление водосливной плотины по условию (16);

m=0,49 - коэффициент расхода безвакуумного водослива практического профиля;

- напор на водосливе при по (17):

>

Т.к. условие (14) выполняется, то принятые значения:

не требуют корректировки.

Общая ширина водосливной плотины по (18):

где: - толщина бычка.

4. Расчет сопряжения бьефов

Задача расчета - определение параметров гидравлического прыжка за плотиной и проектирование эксплуатационного режима сопряжения бьефов.

Расчет выполняется в табличной форме только для расчетного расхода.

T, м	q В, м2/с	hk, м	о0	о1	о2	h', м	h», м	t, м	h»/t
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10

(19)

- отметка поверхности крепления, первоначально принимается равной отметке дна, (м);

- удельный расход на водобое, (м²/с):

(20)

- критическая глубина, (м):

(21)

(22)

, - коэффициенты, которые можно получить по графику Чертоусова для прямоугольного русла в зависимости от величины и коэффициента скорости :

 (23)

- первая сопряженная глубина, (м):

(24)

- вторая сопряженная глубина, (м):

(25)

- глубина воды в нижнем бьефе, (м):

(26)

Если в результате расчета получается отогнанный прыжок (h»/t>1), необходимо запроектировать мероприятия для его затопления (устройство водобойной стенки или водобойного колодца).

4.1 Проектирование эксплуатационного режима сопряжения бьефов

При наличии отогнанного прыжка можно рекомендовать следующие мероприятия:

1). Понизить отметку крепления на величину , если , тогда:

(27)

2). Запроектировать сплошную водобойную стенку.

3). Понизить отметку крепления и запроектировать водобойную стенку.

В первом случае проверяется условие затопления прыжка со степенью затопления не менее 1,1. Если требуемой степени затопления не получилось, следует увеличить .

Во втором и третьем случаях проектируется водобойная стенка.

Расчет выполняется для плоской задачи, при в верхнем бьефе и отметке, соответствующей пропуску максимального расчетного расхода, в нижнем бьефе . Поверхность водобоя и рисбермы находится на одной отметке равной .

При этом перепад бьефов , (м):

(28)

Сплошная водобойная стенка устанавливается на водобое на расстоянии от плотины, (м):

(29)

Глубина на рисберме, позволяющая затопить прыжок на рисберме и водобое, определяется по формуле, (м):

(30)

Если >t, то необходимо понизить на величину , (м):

(31)

Тогда новое значение , (м):

(32)

При этом изменяются величины T, t и прочие, зависящие от них. Поэтому, в табл. 4.1 необходимо досчитать строчку для новых условий.

Высота водобойной стенки, (м):

(33)

Ширина водобойной стенки поверху равняется (м), заложение верхового откоса «0», низового - «0,25?0,50».

4.2 Пример расчета сопряжения бьефов

Исходные данные:

- Нормальный подпорный уровень - ;

- Уровень нижнего бьефа при расчетном расходе - ;

- Отметка дна - ;

- Отметка порога водослива - ;

- Максимальный расчетный расход - ;

- Расчетный напор на водосливе - Н=8,0 (м);

- Общая ширина водосливной плотины - .

Расчет выполняется в табличной форме только для расчетного расхода.

T, м	q В, м2/с	hk, м	о0	о1	о2	h', м	h», м	t, м	h»/t
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
40,00	43,48	5,96	6,71	0,315	2,35	1,88	14,01	9,90	1,42
40,73	43,48	5,96	6,83	0,31	2,40	1,85	14,30	10,63	1,35



Удельный расход на водобое по (20):

Критическая глубина по (21):

, - коэффициенты, полученные по графику Чертоусова для прямоугольного русла в зависимости от величины и коэффициента скорости по (23):

Первая сопряженная глубина по (24):

Вторая сопряженная глубина по (25):

Глубина воды в нижнем бьефе по (26):



Т.к. >1 то необходимо запроектировать мероприятия для затопления отогнанного прыжка.

Перепад бьефов по (28):

Глубина воды на рисберме определяется по (30):

Т.к. >t, то необходимо понизить на величину по (31):

Тогда новое значение по (32):

При этом изменяются величины, зависящие от . Поэтому досчитывается вторая строчка для новых условий.

, для коэффициента скорости по (23):



Первая сопряженная глубина по (24):

Вторая сопряженная глубина по (25):

Глубина воды в нижнем бьефе по (26):

Т.к. >1 то необходимо запроектировать водобойную стенку.

Сплошная водобойная стенка устанавливается на водобое на расстоянии от плотины по (29):

Высота водобойной стенки по (33):

Ширина водобойной стенки поверху равняется 2,15 (м).

Размещено на Allbest.ru