Водохранилищный гидроузел с плотиной из грунтовых материалов

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

Введение

Раздел 1. Обоснование выбора створа и типа грунтовой плотины

1.1 Выбор типа плотины

1.2 Конструкция поперечного профиля плотины

1.3 Назначение или определение коэффициента заложения откосов земляных плотин

1.4 Назначение отметок и размеров берм

Раздел 2. Крепление откосов

Раздел 3. Определение отметки гребня плотины

Раздел 4. Подбор обратного фильтра

Раздел 5. Фильтрационные расчёты

5.1 Расчёт депрессионной кривой

Раздел 6. Расчёт устойчивости откосов

Вывод

Список используемой литературы



Введение

В проектах наиболее крупных сооружений речных гидроузлов последовательно решают комплекс вопросов по обоснованию необходимости, экономической целесообразности и технической возможности строительства сооружений; разрабатывают несколько конкурирующих вариантов конструкций и компоновок сооружений с последующей детальной разработкой рекомендуемого к строительству варианта. Рекомендуемый вариант разрабатывают до рабочих чертежей, по которым осуществляется строительство сооружений.

Сетевые сооружения на мелиоративных системах могут быть сложными и оригинальными, но чаще всего их строят в схожих условиях, и здесь задача проектировщика состоит в достаточном обосновании параметров сооружения, выборе типового проекта (или проекта повторного применения) и привязке его к конкретным условиям.

Для успешной разработки проекта анализируют исходные условия (рельеф, гидрология, геология и др.), выбирают конструкции сооружений, возможности применения и технологию их возведения, используют методырасчета выбранных конструкций, прогнозируют последствия, вызванные их строительством.



Раздел 1. Обоснование выбора створа и типа грунтовой плотины

Створ плотины, как правило, располагают в наиболее узкой части водотока. Обычно нормально к горизонталям.

Для плотин из грунтовых материалов решающее значение имеет наличие вблизи створа карьеров грунтов. Створ плотины целесообразно выбирать с трассировкой водосбросного тракта. При выборе створа учитывают и способ пропуска строительных расходов, наличие и возможность устройства дорог, прокладку ЛЭП. В створе делают шурфование или бурение скважин для изучения инженерно-геологического строения основания плотины.

При проектировании плотин учитывают форму речных долин, в которых наблюдают два участка: русловой (вода протекает в меженное время), пойменный (затапливание в паводок).

На горных участках рек поперечное сечение имеет очертание, близкое к треугольному и пойменные участки отсутствуют. Водохранилища создают с помощью грунтовых плотин, различают три уровня поверхности воды: форсированный подпорный уровень, нормальный подпорный уровень, уровень мёртвого объёма.

В данной работе мы имели 3 варианта размещения грунтовой плотины:

в устье реки ( на топоплане обозначен под номером 1),

250 метров ниже по течению реки (более пологий рельеф, одно из самых узких мест на реке, обозначен 2 номером)

находится в месте с крутым рельефом ( номер 3)

Наиболее оптимальным считается вариант номер 1, т.к. в данном варианте проходит горный участок реки, сама река образуется путём слияния двух более мелких рек, что позволит в более быстрые сроки набрать необходимый объём водохранилища, учитывая рельеф, напоминающий по форме воронку.



1.1 Выбор типа плотины

Выбор, прежде всего, зависит от наличия тех или иных материалов в близлежащих карьерах и от максимального использования материалов из полезных выемок.

Суглинки - лучшие противофильтрационные материалы для возведения земляной плотины. При их наличии плотину устраивают однородной. Если же суглинков нет, то возводят из имеющихся материалов (пески, супеси).

Для предупреждения фильтрации в теле плотины в этом случае предусматривают противофильтрационные устройства в виде ядра, экрана и диафрагмы. При большой мощности водопроницаемого основания целесообразно устраивают плотины с экранами и понурами. В случае сильнодеформироваемого основания - однородные плотины или с ядром. Избегают применения плотин с грунтовыми экранами и тем более с негрунтовым противофильтрационным устройством, которое значительно чувствительно к неравномерным нагрузкам.

В данной работе несколько вариантов типа плотин:

плотина с зубом

плотина с экраном



Плотина с ядром

В данной работе принимаем плотину с ядром, т.к. в теле плотины в случае применения её однородной будет фильтрация, а это может привести к разрушению сооружения. Для предотвращения фильтрации и предупреждения аварии устраиваем в теле плотины ядро из слабопроницаемого материала - тяжёлого суглинка.

1.2 Конструкция поперечного профиля плотин

Один из основных вопросов проектирования плотины из грунтовых материалов - определение устойчивого и экономически выгодного профиля. Размеры поперечного профиля зависят от типа плотин, их высоты, характеристик грунта, также условий строительства и эксплуатации.

Гребень конструкции предусматривает из условий производства работ и эксплуатации плотин, обеспечивают проезд транспорта, следовательно, ширину гребня принимают в зависимости от категории дороги.

По СНиП 2.06.05 - 84 ширину гребня принимают по категории дороги, но не менее 4,5 метров. В пределах обочин в соответствии с ГОСТ 23457 - 79 устраивают ограждения в виде столбов-надолбов, низких стенок или парапетов, при этом ширину обочин принимаем Б = 2 м. Ширина проезжей части А = 6 м.

Остальные элементы конструкции поперечного профиля изобразим на схеме, приведенной ниже.



1.3 Назначение или определение коэффициента заложения откосов земляных плотин

Откосы плотины должны быть устойчивы во время её строительства и во время её эксплуатации, при воздействии статических и динамических нагрузок, фильтраций, капиллярного давления и т.д. Коэффициент заложения откосов предварительно назначают по рекомендации а также опыту строительства и эксплуатации плотин-аналогов. Затем их устойчивость проверяют специальным расчётом. Заложение откосов земляных, насыпных плотин при прочности грунтов оснований принимают не меньше, чем в теле плотины, по СНиП 2.06.05-84.

Принимаем заложение верхового откоса m1=3, низового откоса m2=2.

На высоких откосах при необходимости примерно через 10 метров устраивают бермы, размеры которой определяются условиями производства работ, эксплуатационного проезда, сбора и отвода ливнёвых вод на низовом откосе. Ширину берм земляных плотин назначают в пределах 1-3 метра, при необходимости проезда по бермам её ширину определяют по нормам проектирования дорог.

1.4 Назначение отметок и размеров берм

На верховом откосе устраивают для размещения упора крепления, для осмотра и ремонта плотины, а также для проезда транспорта при устройстве крепления откоса. По высоте плотины бермы устраивают, если проезд по берме не предусмотрен. Её ширина 1-2 метра, если предусмотрен 5 метров.

На низовом откосе берма служит для проезда, предотвращения размыва откоса дождевыми и талыми водами, а также для размещения приборов по наблюдению за положением кривой депрессии в теле плотины. Её обычно устраивают посередине откоса, найдём её отметку:



Бн = Дна+Нпл/2=100+6/2=103 метра

Со стороны верхнего бьефа берму устраивают ниже уровня мёртвого объёма. Это позволяет сделать плотину шире по основанию и удлинить пути фильтрации.

Положение бермы со стороны верхнего бьефа определяют по формуле:

Бв=УМО-2h1%, где

h1% - высота волны 1% - ой вероятности при УМО.



Раздел 2. Крепление откосов

Для защиты верхнего откоса от разрушения (СНиП 2.06.05-84) рекомендуют крепление следующих видов: каменное, бетонное и ж/б, асфальтобетон. При соответствующем обосновании дополнительно применяют другие облегчённые конструкции крепления (ящикообразные, грунто-цементные конструкции), а также устройства у положения верхового откоса с заданным сроком размыва, предусматривают эксплуатационный ремонт. Крепление верхового откоса: основное и облегченное.

Верхней границей основного крепления служит гребень плотины. Нижнюю границу основного крепления принимают на глубине h= 2h1%

В то же время, эта граница должна быть выше наинизшего уровня, уменьшенного на 1,5t, где t - расчётная толщина льда в водохранилище. Отметку нижней границы основного крепления выбирают как наименьшую из отметок, вычисленную по формулам:

Основного крепления= УМО-2h1%

Основного крепления= УМО-1,5t

Отметку нижней границы облегченного крепления определяют по формуле:

Облег. креп. = воды - 1,1hоб, где

hоб - глубина, на которой скорость волны равна допустимой неразмывающей скорости.

Из полученных расчётов выбирают наименьшую отметку. Если эта отметка меньше отметки дна, то облегченные крепления доводят до уровня дна.

На выбор типа и размеров плит влияют сроки выполнения крепления и производства возможных строительных работ. Расчётную толщину определяют по формуле:

, где

- коэффициент для монолитных плит (принимаем 1)

- объёмная масса плиты, т/м3

В - размер плиты в направлении, нормальном к урезу воды.

Определим отметки облегчённого крепления:

УМО 103 - 1,18,8 = 92,99 м

НПУ 105-1,18,684 = 95,44 м

ФПУ 107-1,111,38 = 96,48 м

Отметки меньше отметки дна, следовательно, облегченные крепления доводим до уровня дна.

Принимаем толщину плит равной 10 см = 0,1 м



Раздел 3. Определение отметки гребня плотины

Высоту плотины назначают с превышением d над расчётным уровнем воды в водохранилище, гарантирующим отсутствие перелива воды через гребень:

d = Дh+ hн+а, где

Дh - высота ветрового нагона воды,

hн - высота наката волн на откос плотины,

а - конструкционный запас (0,5 метра)

Расчёты проводим для двух расчётных случаев:

Уровень воды на НПУ или выше

Уровень воды на ФПУ при пропуске максимального поверочного расхода воды.

Расчётную скорость ветра в первом случае принимаем 1%-ой вероятности. Во втором случае 50%-ой вероятности превышения, наблюдаемого во время форсировки. При определении ветровых волн и ветрового нагона согласно СНиП 2.06.04-82 следует принимать вероятность превышения шторма для сооружений третьего, четвёртого классов - 4%. В качестве расчётной отметки гребня плотины принимаем большую из отметок.

Высота наката ветровой волны для j-ой вероятности hнj превышения расчётного шторма:

hнj=KД*Kнп*Кс*Кнг*Кнj*Кв*h1%, где

h1% - высота волны 1%-ой обеспеченности,

KД, Kнп - коэффициенты, зависящие от типа и относительной шероховатости крепления откоса (принимаем 1 и 0,9 соответственно),

Кс - коэффициент, зависящий от скорости ветра,

Кнг - коэффициент, зависящий от пологости волны,

Кнj - коэффициент, учитывающий вероятность превышения по накату,

Кв - коэффициент, зависящий от угла подхода фронта волны к плотине.

Вычислим Дh:

Для ФПУ:

Для НПУ:

Вычисляем безразмерные комплексы:

gt\W и gD\W2 , где

t - продолжительность ветра, принимаемая при отсутствии фактических данных (6 часов = 21600 сек)

По графику для каждого из найденных комплексов определяем значения относительных параметров gф\W и gh\W2.

Вычисляем последовательно для НПУ и ФПУ:

НПУ ФПУ

gф\W 1,87 0,91 2,6 0,98

gh\W2 0,24 4,22 0,04 4,88

h = (0,2415,62)/9,81 = 5,9 h = (0,0410,82)/9,81 = 0,47

ф = (0,9115,6)/9,81 = 1,44 ф = (0,9810,8)/1,07

м

Кi 2,04 2,1

h1% = 0,382,04 = 0,77 м h1% = 0,472,1 = 0,98 м

h1% = 3,23/12,03 = 0,26 h1% = 1,81

Принимаем Кнг = 1,2; Кв = 0,87.

Для НПУ: hн=KДKнпКсКнгКнjКвh1% = 10,91,31,210,870,77 = 1,04 м

Для ФПУ: hн = 10,91,31,210,870,98 = 1,19 м

dФПУ = 0,0006 + 1,19 + 0,5 = 1,69 м

dНПУ = 0,001 + 1,04 + 0,5 = 1,54 м

НПУ ФПУ

Zгр = 105+1,69=106,69 м Zгр = 107+1,69=108,69 м

Нпл = 106,69 - 100 = 6,69 м Нпл = 108,69 - 100 = 8,69 м

Принимаем высоту плотины Нпл = 8,69 м.



Раздел 4. Подбор обратного фильтра

Обратные фильтры располагают на контакте дренажа и дренируемого тела плотины, экрана или основания плотины. Их допускается не устраивать при контакте дренажа с телом плотины, если оно сложено гравелистыми песками, гравийными грунтами и др. Отказ от устройства обратных фильтров должен быть обоснован.

Найдём ?т = 0,024/0,008 = 3

Для первого слоя дренажа принимаем грунт № 7 - песчаный грунт

?1 слоя = d60/d10 = 0,1/0,027 = 3,7

Найдём коэффициент межслойности: ?м = D50/d50 = 0,083/0,02 = 4,15

Данное значение попадает в зону допустимых значений.

Далее вычисляем: ?т/ ?1 слоя = 3/3,7 = 0,81

Для второго слоя дренажа принимаем грунт № 8 - песчаный грунт, для которого Кф2 = 14.

D60/d10 = 2/0,095 = 21. Данное значение более 10, поэтому производим сдвиг интегральных кривых против часовой стрелки до оптимальных параметров.

D60/d10 = 0,2/0,065 = 3,07 - ?2 слоя

?м = 3,07/3,7 = 0,82

?1 слоя/ ?2 слоя = 3,7/3,07 = 1,2 - данное значение входит в зону допустимых значений.

На основе проведённых расчётов делаем вывод о том, что карьерный грунт с заданными характеристиками можно использовать для обратного фильтра наслонного дренажа, который используем в данной работе.

Так как высота выхода фильтрационного потока на низовой откос мала, то устраиваем наслонный дренаж для снижения фильтрационного давления грунтовых вод, защиты сооружения и его основания от размыва фильтрационным потоком и организованного отвода профильтровавшейся воды. Важно помнить, что наслонный дренаж не понижает кривую депрессии, а только предохраняет низовой откос в месте выхода фильтрационного потока от возможных фильтрационных деформаций и представляет собой обратный фильтр, уложенный по низовому откосу.

Ещё один плюс в устройстве наслонного дренажа - для его устройства требуется гораздо меньшее количество камня.



Раздел 5. Фильтрационные расчёты

5.1 Расчёт депрессионной кривой

В соответствии со СНиП 2.06.05-84 фильтрационные расчёты следует выполнять для определения фильтрационной прочности тела плотины, её основания и берегов; расчёта устойчивости откосов плотины и берегов; обоснования наиболее рациональных и экономичных форм, размеров и конструкций плотины, её противофильтрационных и дренажных устройств.

Для наслонного дренажа:

ДL = вH1 = 2 м

d = 3,69 м

Lp = ДL+L = 2+38,45=40,45 м

Найдём h1:

Для уравнений кривой депрессии зададимся значениями х=2 и х=10:

Рассчитываем кривую депрессии после ядра, построив кривую депрессии до ядра:

бср = 1,15

Lприв = 690

bпри.гр. = 698,85

Рассчитаем L = 3 3,69+698,85+2(5+3,69) = 727,3

Xв принимаем равным 9 м.

Принимаем х = 702;705;710;715;720;725

На основе полученных данных делаем вывод, что мероприятия по устройству ядра и наслонного дренажа в полной мере себя оправдывают и существенно снижают кривую депрессии.

Найдём градиент и скорость фильтрации при выходе фильтрационного потока:

Vвых = Kт Iвых Iвых = Ду/Дх = 0,019/23 = 0,00082

Vвых = 0,060,00082 = 0,000049 м/сут. Ду = 0,769-0,75 = 0,019

Дх = 725-702 = 23



Раздел 6. Расчёт устойчивости откосов

Статические расчёты плотины включают проверку устойчивости верхового и низового откосов, а также экрана и его защитного слоя. В данной работе используем метод круглоцилиндрических поверхностей сдвига.

Для начала строим область нахождения центров поверхностей сдвига, которая располагается в криволинейном четырёхугольнике, образованном следующими линиями, проведёнными из середины откоса: вертикалью и прямой под углом 85 к откосу, а также двумя дугами радиусов:

R1 = К1Нпл = 0,75 8,69 = 6,51 м,

R2 = К2Нпл = 1,758,69 = 15,2 м.

Проводим дугу окружности радиуса R таким образом, чтобы она пересекала гребень плотины и захватывала часть основания.

Область, ограниченную кривой сдвига и внешними очертаниями плотины разбиваем вертикальными прямыми на отсеки шириной b = 0,1R, центр нулевого отсека размещаем под центром кривой сдвига.

Дальнейшие расчёты сводим в таблицу, приведённую ниже:

Установим силу трения, возникающую на подошве всего массива обрушения, суммируя соответствующие силы по отсекам:

F = bг1Уhпрcosб tgц = 0,81,8716,707 = 24,99 т

Вычисляем касательную составляющую веса массива обрушения:

T=bг1Уhпрsin б=0,81,8722,54=33,71 т

Находим силу сцепления, возникающую на подошве массива обрушения:

S=c1l1+c2l2+c3l3=14,18+0,40,55+211,8=28 т

l1=23,14830/360=4,18 в1=30 с1=1

l2=23,1484/360=0,55 в2=4 с2=0,4

l3=23,148/360=11,8 в3=85 с3=2

Рассчитаем фильтрационную силу, учитывая, как объёмную:

Ф=ЩIг0=37,320,000821=0,03 т

Щ=0,846,66=37,32 т

Значение коэффициента устойчивости откоса:

Куст = (F+S)/(T+Фr/R) = (24,99+28)/33,71+((0,0316,4)/8) = 1,48

Полученный результат соответствует условию KminКнКс/Км, где

Кн - коэффициент надёжности по ответственности сооружения (1,1)

Кс - коэффициент, зависящий от сочетания нагрузок (1),

Км - коэффициент, равный 0,95 при упрощённых методах расчёта.

1,481,15 - отсюда делаем вывод о невозможности обрушения откоса.



Вывод

В данной работе мы проектировали водохранилищный гидроузел с плотиной из грунтовых материалов.

Проводили анализ и выбор оптимального варианта размещения плотины и её типа и приняли плотину с ядром из слабопроницаемых грунтов (суглинок тяжёлый).

Также конструировали поперечный профиль плотины и гребень плотины, назначили заложения откосов: 3 - для верхового и 2 - для низового откосов и выбирали их крепления.

В разделе 3 находили отметку гребня плотины (108,69 м).

Устраивали в теле плотины наслонный дренаж, т.к. он является самым оптимальным вариантом и рассчитали и подобрали обратный фильтр.

При построении кривой депрессии пользовались СНиП 2.06.05-84, в результате расчётов сделали вывод о том, что целесообразно использовать ядро из тяжёлого суглинка, т.к. оно существенно снижает кривую депрессии.

После расчётов устойчивости откосов методом круглоцилиндрических поверхностей сдвига сделали вывод об устойчивости откоса, что подтверждает правильность произведённых расчётов.

плотина гидроузел откос



Список используемой литературы

1.Бочкарев Я. В. Гидротехнические сооружения. - М.: 1988

2.Гидротехнические сооружения / Волков И.М., Кононенко П.Ф., Федичкин И.К. - М., Колос, 1968.

3.Иванов П. Л. Грунты и основания. - М.: 1978

4.Курсовое и дипломное проектирование по гидротехническим сооружениям. / Под ред. Лапшенкова В.С. М.: Агропромиздат, 1989.- ил.-(учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений).

5.Розанов Н.П. / Гидротехнические сооружения - М., Агропромиздат, 1985.

6.СНиП 2.06.05-84. Плотины из грунтовых материалов. -- М: ЦИТП Госстроя, 1991

7.Справочник по гидравлическим расчетам / под редакцией П.Г. Киселева, М., 1972.

8.Строительные нормы и правила, нормы проектирования платины из грунтовых материалов.- М.: Госстрой СССР.

Размещено на Allbest.ru