Головной гидроузел с каменно-земляной плотиной и водосбросным сооружением

Табл.5. Коэффициенты _ikj первых трех собственных форм

2.5 Пропуск строительных расходов

Входные части открытых береговых водосбросов

а - сужающаяся с прямолинейным водосливным порогом; б - с циркуль-ным порогом; в - с зигзагообразной тонкой стенкой по гребню циркуль-ного порога практического профиля; г - со струйным течением; д - с искусственной шероховатостью; е - с полигональным (лабиринтным) водосливным порогом; ж, з - план и разрез мексиканского водосброса

Особенностью водослива берегового водосброса является отсутствие ниже его устройств для гашения энергии воды, поступающей в водоотводящий тракт, состоящий из промежуточного канала, сопрягающего сооружения (быстротока) или многоступенчатого перепада и устройства для гашения энергии потока.

Быстроток.

Быстроток представляет собой канал, уклон которого намного превышает критический. Обычно уклон задают в пределах 0,05-0,25, но он может быть больше, например, в скальных грунтах. Ширина быстротока бывает постоянной или переменной уменьшающейся или возрастающей книзу (рис.6).

Рис.6. Быстротоки: а - расширяющийся; б - сужающийся

Изменение ширины быстротока вызывается условиями гашения энергии в НБ и возможностью сокращения объема работ. Быстротоки выполняют в виде железобетонного лотка с прямоугольным, трапецеидальным или полигональным сечением Сужающиеся в плане быстротоки (рис.7, а) позволяют уменьшить объем земляных работ по трассе, обеспечить плановое сопряжение развитых входных частей с быстротоками постоянной ширины и создать благоприятный гидравлический режим работы концевой части. Однако на длинных быстротоках возникает необходимость устройства в его конце расширяющегося участка (рис.7, а) с рассеивающим носком-трамплином.

Рис.7. Средства борьбы с волнообразованием на быстротоках: а - сужение в плане быстротока; б, в, г - гасители в конце быстротока, соответственно, типа зигзаг, ребра и решетчатый трамплин; 1 - водовыпуск;.2 - плотина; 3 - водосброс; 4 - ребра нарастающей высоты; 5 - быстроток; 6 - растекатель; 7 - прорезная водобойная стенка

2.7 Гидравлический расчет открытого берегового водосброса-быстротока

Гидравлический расчет быстротока.

Гидравлический расчет быстротока заключается в определении сечения на быстротоке, где скорость в этом сечении будет равна допустимой скорости. Допустимая скорость определяется в зависимости от материала поверхности. Для быстротока с большой пропускной способностью, допустимую скорость принимают в пределах 25. .35 м/с.

В начале быстротока т.е. на месте перелома где I больше I_кр

Известно

Q=6500м³/с; B_нач=86 м;

требуется: определить h_кр=

w= h_кр. B=8,65.86=744.3 м³

x=2 h_кр+B=2.8,65.86=103,3 м

=0.014, находим

Определяем h₀ - нормальная глубина на быстротоке

Составляем таблицу для нахождения нормальной глубины, для этого задаемся значениями h. Затем строим график h = f (K), из которого определяем h₀.

К_ф=

Строим график для определения нормальной глубины.

Из графика (при К_ф = 178543) h₀ = 8,20 м.

Определим глубину воды в сжатом сечении в конца быстротока с учетом h_кр

принимаем Р=15-разница между начальной и концевой частью быстротока.

-

где b ширина в конце быстротока

Во втором приближении:

В третьем приближении:

Принимаю 5,4 h_сж

График для определения гидравлического показателя русла Х.

Х зависит от отношения , где h-заданная глубина канала,b-ширина канала.

Построение кривых свободной поверхности способом Бахметева

Где (i-уклон дна; l-длина заданного участка канала; h₀-глубина равномерного течения при заданном расходе Q (нормальная глубина); -относительные глубины и в конце и в начале данного участка.

Определим глубину воды в сжатом сечении в конца быстротока с учетом h_кр принимаем Р=15-разница между начальной и концевой частью быстротока.

-

где b ширина в конце быстротока

Во втором приближении:

В третьем приближении:

Принимаю 5,4 h_сж

Тогда h_сж=h₂

Таким образом находим требуемые параметры в конце быстротока при известным данным:

Q=6500м³/с; B_нач=67 м;

Требуется определить:

w= h₂. B=5,4.67=361.8 м³

x=2 h₂+B=2.5,4.67=77.8 м

, =0.014

Определяем I_cp в начале и в конце быстротока

В начале

В конце

Далее

По Бахметеве уточняем h₂

от сюда находим

=0,65

Уточняем

Принимаем

Определение дальность отлета струи

Дальность отлета струи L, отброшенной с трамплина, до встречи со свободной поверхностью нижнего бьефа определяется по формуле:

Здесь - угол наклона струи к горизонту в створе уступа ();

g - ускорение силы тяжести;

- превышение носка над уровнем нижнего бьефа ( = 24 м);

- коэффициент скорости находится по формуле

- превышение носка над уровнем нижнего бьефа ( = 30м);

Т - превышение уровня верхнего бьефа над уровнем воды нижнего бьефа (Т =46 м);

Н - напор на гребне водослива (Н = 11м).

Принимаем высоту носка (трамплина)

Далее определяем толщину струи в створе уступа

Следовательно дальность отлета струи будет равна

Скорость струи на уровне свободной поверхности нижнего бьефа находится без учета изменения ее формы при движении в воздушной среде.

Где ,

Далее определяем угол встречи струи со свободной поверхностью (угол входа):

Струя, войдя под уровень нижнего бьефа, движется по прямой при этом принимается, что ось струи касательная к точке встречи оси струи со свободной поверхность.

Приращение дальности падения струи с учетом движения под уровнем нижнего бьефа по прямой до дна размыва равно

Где hр - глубина в яме размыва.

Яму размыва, образующуюся в месте падения струи, можно определить по эмпирической формуле И.Е. Мирцхулавы

К - коэффициент перехода от средних скоростей к актуальным (К = 1,5-2), W - гидравлическая крупность грунта, определяемая по формуле

м

Где d - расчетный диаметр частиц грунта, отвечающих фракциям, мельче которых в грунте содержится 90% частиц; - удельные веса материала и воды с учетом

Вывод: меньше размыва нет

Глава 3. Плотина из укатанного бетона (УБ-2) (вариант Б)

3.1 Основные характеристики "укатанный бетон" (УБ)

Содержания компонентов смесей УБ в 150 плотинах (1997 г)

Анализ физико-механических характеристик УБ выполнен по данным испытаний образцов УБ ряда построенных плотин из УБ, приготовленных из одинаковых компонентов, что исключает влияние различных местных материалов и условий. Это сравнение позволит на стадии проектирования плотин более обоснованно принимать физико-механические характеристики УБ до проведения полевых испытаний УБ.

Время перекрытия швов УБ и их обработка

На основе анализа натурных данных поведения швов УБ в Бюллетене N 125 (2003) Международной комиссии по большим плотинам даны пределы времени перекрытия швов (град. С/час) и рекомендации по их обработке, включая укладку подстилающего слоя цементного раствора (табл.1.2).

3.1.2 Основные факторы, влияющие на прочность на сдвиг в швах УБ

C (МПа) (град)

Рис.1.1 Зависимость сцепления С и трения в швах УБ от времени Т (дни) при высоком и низком расходе вяжущих (Ц + З): 1 - зависимость при высоком (Ц + З); 2 - то же при низком (Ц + З); 3 - зависимость С при высоком (Ц + З); 4 - то же при низком (Ц + З)

C (МПа) (град)

Рис.1.2 Влияние времени перекрытия швов УБ (град. С/час) на сцепление С, МПа (сплошные линии) и угол внутреннего трения, град. (пунктир) в швах при низком и высоком расходе вяжущих

Анализ обширных опытных данных и зависимостей рис.1.2 позволил сделать следующие важные выводы:

1. Угол внутреннего трения в шве УБ практически не зависит от расхода вяжущих, в том числе пуццоланов, времени перекрытия швов и возраста УБ, а зависит в основном от типа заполнителя (прочности частиц породы и их формы).

2. Сцепление в шве УБ практически прямо пропорционально расходу вяжущих при данном типе заполнителей.

3. Сцепление в шве УБ возрастает во времени подобно росту прочности самого УБ на сжатие.

4. Сцепление и в меньшей степени трение в шве начинают снижаться с началом гидратации вяжущих (без замедлителей схватывания) на поверхности шва и спустя 80 град. /час (или 4 часа при температуре УБ 20^о) сцепление в шве при высоком и низком расходе вяжущих снизится примерно вдвое, если этот шов не будет перекрыт свежим слоем УБ.

5. В слое УБ, перекрытом через 80 град-час свежим слоем УБ, снижение сцепление в шве происходит медленно вплоть до 600 град. /час.

6. Предельное время перекрытия шва, равное 80 град. /час, может быть увеличено до 200 град. /час за счет применения замедлителей схватывания или высокого содержания золы-уноса, т.е. перехода на УБ 3-го типа.

Условия подготовки поверхности швов УБ могут быть следующими: естественное просушивание свежей или мокрой поверхности (SSD), продувка воздухом, очистка щетками, поврежденная поверхность, нетронутая поверхность и обработка подстилающим слоем цементного раствора (bedding mix) толщиной 1-2 см.

Трение в шве УБ практически не зависит ни от каких факторов, кроме типа заполнителя, согласно опытным данным по УБ плотины Миель-1.

Согласно этим же данным сцепление в шве прямо пропорционально расходу вяжущих (после его порогового значения в 30-40 кг/м³) и оно повышается с сокращением времени перекрытия шва и, особенно, при применении замедлителя схватывания. Применение подстилающего слоя цементного раствора даже при больших сроках перекрытия шва (до 1200 град. /час) позволяет достичь максимального сцепления в нем близкого к сцеплению УБ между швами.

В проектах плотин из УБ используют уменьшенное на коэффициент запаса пиковое значение прочности УБ на сдвиг, при котором сцепление в швах УБ исчерпывается, и возникают микроподвижки по шву. Обычно при проектировании плотин используют пиковые значения прочности УБ на сдвиг и угла внутреннего трения, и сопротивление плотины на сдвиг должно превышать сдвигающую нагрузку с расчетным коэффициентом запаса. Поэтому целесообразно определять остаточное или кажущее сцепление и трение в шве, которые остаются после возникновения скольжения по шву. Тогда эти значения могут быть использованы в расчетах устойчивости плотины на сдвиг и если ее коэффициент запаса на сдвиг больше 1,0, то плотина считается устойчивой, что соответствует реальному предельному состоянию.

Расчетные напряжения в плотине из УБ не должны превышать предельные значения, соответствующие началу раскрытия швов, а устойчивость плотины на сдвиг должна быть обеспечена даже при отсутствии сцепления в швах, т.е. при "холодных" швах.

При проектировании плотин из УБ разного типа можно использовать средние параметры прочности, деформируемости и водопроницаемости УБ и параметры прочности на сдвиг швов УБ, данные в Бюллетене Международной комиссии по большим плотинам (табл.1.3).

Параметры прочности, деформируемости и водопроницаемости УБ.

Табл. 1.3

Как показывают испытания блоков УБ других плотин с различным расходом вяжущих, состоянием и обработкой швов, сроком их перекрытия, боковой нагрузкой и возрастом блоков, при сдвиге швов остаточное сцепление в них падает до малых значений (до 10% от пиковых), но остаточное трение в них остается на уровне 90% пиковых значений

3.1.3 Современное состояние строительства плотин из укатанного бетона в мире

Метод строительства плотин из укатанного бетона (УБ) в мировой практике плотино-строения получил распространение с начала 1980 г. Этому значительно способствовали созданные ранее мощные строительные машины для возведения грунтовых плотин, необходимость снятия ограничений по темпам строительства бетонных плотин из условий предельно-допустимых температурных напряжений в плотине, а также необходимость удешевления и ускорения строительства. Метод строительства плотин из УБ полностью отвечает этим требованиям: технология возведения этих плотин приближается к технологии возведения грунтовых плотин. УБ укладывается в плотину с помощью практически тех же механизмов, которые используют на строительстве грунтовых плотин: доставка УБ осуществляется ленточными конвейерами или самосвалами, разравнивание - бульдозерами, уплотнение - виброкатками.

УБ отличается от обычного бетона главным образом своей консистенцией. Для эффективного уплотнения УБ должен быть достаточно сухим, чтобы выдержать вес виброкатков, и в то же время достаточно влажным, чтобы обеспечить полное распределение цементного раствора в смеси в процессе перемешивания и виброукатки. УБ значительно отличается и по внешнему виду от обычного бетона, скорее напоминая гравийную насыпь, так как присутствие в нем цементного раствора почти незаметно. Для достижения максимального уплотнения требуется намного большее вибрационное усилие, чем для обычного бетона.

УБ представляет собой особо жесткую бетонную смесь с пониженным содержанием цемента (30-50%) и повышенным содержанием (50-70%) пуццоланы (золы-уноса), уплотняемую виброкатками. Под понятием укатанный бетон подразумевается определение УБ как конструкционного материала, так и технологии производства работ при его использовании.

Малое содержание цемента в УБ (в среднем 50-80 кг/м³) резко снижает температурные напряжения в плотине, что позволяет полностью отказаться от мероприятий по регулированию температурного режима и снять все ограничения по интенсивности укладки УБ. Все это, а также максимальная механизация всех строительных процессов, снижение трудоемкости строительства обеспечивают резкое снижение стоимости и сроков строительства.

Согласно классификации УБ в зависимости от содержания вяжущих (цемент + пуццоланы) УБ бывает 3-х типов: 1 - тощий УБ с низким содержанием вяжущих (65-99 кг/м³); 2 - умеренно-пластичный УБ со средним содержанием вяжущих (100-149 кг/м³); 3 - пластичный УБ с высоким расходом вяжущих (150-300 кг/м³). Отдельно выделен УБ-4 плотин Японии с содержанием вяжущих (120-130 кг/м³), но при более высоком расходе цемента и низком расходе золы-уноса и с более высокой прочностью на сжатие и сдвиг чем УБ-1, 2 и 3.

Подробно вопросы проектирования и строительства плотин из УБ изложены в пособии Ляпичева Ю.П. [1], в котором приведены также многочисленные справочные данные по УБ.

Широкое строительство плотин из УБ объясняется тем, что использование УБ имеет ряд существенных преимуществ, а именно:

УБ, при прочности на сжатие 10 - 15 МПа, отличаются низким тепловыделением и малой усадкой. Это открывает возможность укладки УБ часто по всей длине и ширине плотины, не прибегая к дорогостоящим мерам по регулированию температурного режима УБ. Высокая ранняя прочность УБ в силу его жесткой структуры обеспечивает возможность перемещения по нему машин сразу после укладки и укатки. Таким образом, по сравнению с обычным бетоном УБ является более экономичным и технологичным материалом.

Благодаря простоте технологии и сокращению до минимума операций по опалубке, подготовке блоков к бетонированию, терморегулированию и т.п., резко сокращаются продолжительность подготовительного периода и строительства в целом.

Послойная технология возведения обуславливает наличие многочисленных горизонтальных швов; физико-механические параметры укатанного бетона и межслойных швов накладывают существенный отпечаток практически на все конструктивные элементы тела плотины и его сопряжения с основанием.

В практике современного плотиностроения разработано много конструкций плотин из УБ, при этом водонепроницаемость напорной грани обеспечивается 3 основными типами: