Проектирование комплексного гидроузла

- число боковых сжатий;

- ширина одного пролёта.

При 4 пролётах b = 2,7 м:

В_{акт. ср.} = (10,8 + 8,4) / 2 = 9,6 м. При 4 пролётах b = 2,4 м.

Водосливные отверстия отделены друг от друга быками, служащими опорами для затворов, перекрывающих отверстия. Примем ширину быка равной 0,7 м.

В_{строит.} = 2,4 * 4 + 3 * 0,7 = 11,7 м.

3.3 Устройства нижнего бьефа водосливной плотины

Устройства нижнего бьефа водосливной плотины состоят из: водобоя с гасителями энергии; рисбермы, на которой происходит успокоение потока.

Водобой чаще всего устраивается в виде горизонтальной (а иногда и слегка наклонной) бетонной плиты - плоской или, как в данном проекте, в форме водобойного колодца. Водобойный колодец представляет собой углубление в грунте основания за плотиной. Бетон водобоя должен хорошо сопротивляться истирающему действию потока, движущемуся здесь с большими скоростями.

Определим глубину и длину водобойного колодца. Для этого расчитаем удельный расход :

Определим глубину в сжатом сечении по зависимости:

.

1,9 = 0,95?.

Решая это уравнение, определим сжатую глубину: .

Определим раздельную глубину по формуле:

.

Глубина воды в нижнем бьефе . Назначаем .

Зная, что

,

можем определить глубину колодца :

,

где - глубина воды на рисберме.

- перепад на выходе из колодца, который определяется по следующей зависимости:

.

.

Т.к. эта величина очень мала, то при расчёте ею можно пренебречь.

При глубине воды на рисберме t= 0,8 м:

.

Определим длину водобойного колодца по формуле:

.

3.4 Пространственный гидравлический прыжок за водосливной плотиной

Для плотины с решётчатым водосливом и камерой гасителем характерен смешанный поверхностно-донный устойчивый режим сопряжения потока с нижним бьефом. При этом образуется пространственный гидравлический прыжок. Для затопления бурного потока в пространственных условиях необходимо обеспечить в нижнем бьефе определённую глубину, равную или большую рассчитанной по формуле:

где h₀ - глубина воды на носке-трамплине водосливной плотины при выходе на водобой;

Fr - число Фруда:

? - относительная ширина русла на рисберме:

? = В_р / В,

где В-ширина водосливного фронта плотины;

В_р - ширина рисбермы: В_р = Q / q_р,

где q_р - удельный расход на рисберме: q_р = 1,7 * V * h^1,2_р,

V = 0,7 м/с - неразмывающая скорость,

h_р - глубина потока на рисберме (1…2 м)

В_р = 16 / (1,7 * 0,7 * 1^1,2) = 13,4 м;

Fr = 16² / (13,4² * 0,4³ * 9,81) = 2,27;

Fr > Fr_кр (Fr_кр = 12,71).

3.5 Устойчивость бетонной плотины

На практике расчёт устойчивости плотины ведут приближённым способом, предполагая, что грунт под плотиной перемещается вместе с ней, как бы сдвигаясь по некоторой криволинейной поверхности, принимаемой круговой.

Пусть на плотину и выделенный круговой сегмент грунта основания AОB действуют следующие силы.

1) Равнодействующая всех вертикальных сил , переносимая по линии её действия до встречи с дугой сегмента и раскладываемая на составляющие: радиальную и касательную

; ,

где - вес плотины

,

- площадь поперечного сечения плотины, которая определяется по рис.

.

- объёмный вес бетона. .

- угол между направлением силы и вертикальной прямой, замеряемый по чертежу.

Рассчитаем составляющие равнодействующей вертикальных сил

; .

2) Равнодействующая всех горизонтальных сил , перенесённая в плоскость подошвы, с составляющими

; ,

где - сила гидростатического давления

,

- объёмный вес воды..

- глубина воды перед плотиной. .

- угол между направлением силы и вертикальной прямой, замеряемый по чертежу.

Рассчитываем составляющие равнодействующей вертикальных сил

; .

3) Вес сегмента грунта

,

где - объёмный вес грунта (взвешенного в воде). .

- угол АОВ, замеряемый по чертежу. .

- радиус кругового сегмента грунта основания. .

.

4) Фильтрационное давление в основании

,

где - площадь сегмента AOB:

.

- градиент напора фильтрационного потока

,

где - падение напора.₁ = 2,7 м;_.2 = 1,5 м

- длина дуги. ₁ = 4 м; ₂ = 13 м

I₁ = 2,7 / 4 = 0,67 м; I₂ = 1,5 / 13 = 0,11 м

I₁ > I₂

₁ = 137,4 * 1 *0,67 = 92,05 т; ₂ = 137,4 * 1 * 0,11 = 15,11 т

5) Силы трения в грунте, действующие нормально к направлениям сил , и (по касательным к дуге сегмента) и равные соответственно:

, , .

где - угол внутреннего трения грунта. .

; ; .

6) Сила сцепления между частицами грунта

,

где - длина кривой АВ с радиусом R и центральным углом .

.

- удельное сцепление грунта. .

.

Далее рассчитываем коэффициент устойчивости , представляющий собой отношение моментов относительно центра кривой сегмента АОВ сил, сопротивляющихся сдвигу, к моменту сил, сдвигающих массив грунта:

.

.

Отсюда можно сделать вывод, что сдвиг плотины по рассматриваемой поверхности сдвига невозможен, т. к. значение превышает минимальное допустимое .

3.6 Окончательное проектное решение

При проектировании тела бетонной плотины были определены следующие её параметры: высота плотины , ширина каждого из четырёх пролётов водосливной грани , толщина быков .

Водосливная грань плотины сопрягается с нижним бьефом с помощью водобойного колодца, глубина которого и длина . За водобойным колодцем устанавливаем рисберму, после которой вода попадает в канал, соединяющий её с рекой.

Бетонная плотина смыкается с телом грунтовой плотины при помощи подпорных стенок. Для обеспечения устойчивости стенок на сдвиг устраиваем фундаментную подушку в сторону берега. Конструируем подпорные стенки из железобетона.

4. Конструирование плоского затвора

Из всего многообразия видов поверхностных затворов выбираем плоские затворы, которые представляют собой плоскую ригельную конструкцию, поступательно перемещающуюся в пазах на скользящих или колесных опорах и передающую давление воды на быки. Воду пропускают с одной стороны от подвижной конструкции - из - под затвора. Плоскими затворами перекрывают отверстия пролетом до 30 - 40 м при напоре до 12 -15 м.

4.1 Описание конструкций затвора

У небольших плоских затворов, устанавливаемых на сетевых сооружениях и в составе затворов мостовых и с поворотными фермами, пролетные строения выполняют по типовым проектам из стального 6_мм листа с подкреплением уголками и полосами и из шпунтованных досок на шпонках. Специальных уплотнений и опорно-ходовых частей эти затворы не имеют. У крупных затворов пролетные строения содержат более или менее явно выраженные элементы: ригели, обшивку, балочную клетку, диафрагмы, опорно-концевые стойки, подъемно - весовые фермы.

Ригели работают как статически определимые двухопорные балки. Высота их определяется: 1) допустимым относительным прогибом в пролете (1/1000 для затворов с верхним горизонтальным уплотнением, 1/600 для прочих основных затворов, 1/500 для аварийных, 1/400 для ремонтных затворов); 2) допустимыми нормальными напряжениями от изгиба в поясах ригелей посередине пролета; 3) допустимыми касательными напряжениями от перерезывающих сил в стенках ригелей у опор. У большепролетных поверхностных затворов высота ригелей лимитируется чаще всего первым условием и составляет 1/7 - 1/9 пролета. У опор она может быть уменьшена на 40 - 60% с ориентацией на третье условие.

Ригели конструируют по общим правилам проектирования металлических конструкций. В последнее время предпочитают сплошноступенчатые ригели и ригели из прокатных профилей. Они технологичнее, обеспечивают высокую живучесть при случайных повреждениях, большую устойчивость и выносливость конструкции, их легче очищать и защищать от коррозии. Ригели - фермы применяют лишь для поверхностных затворов очень большого пролета (более 20 м). В сплошноступенчатых конструкциях обязательно устройство отверстий в стенках для стока воды.

Основное правило расположения ригелей по высоте - их равнонагруженность. В связи с этим у поверхностных затворов (имеющих обычно два ригеля) их располагают в нижней части на равном расстоянии от точки приложения равнодействующей сил давления воды. У низконапорных глубинных затворов неравномерность расстановки ригелей менее заметна. У средне- и высоконапорных глубинных затворов ригели расставляют равномерно. Расстояние между их растянутыми поясами принимают не менее 450 - 500 мм из условия возможности ведения сварки, очистки и окраски.

Обшивку поверхностных затворов выполняют из листовой стали толщиной 8 - 20 мм, глубинных - 10 - 60 мм. При шаге ригелей более 50 - 60 мм толщин обшивки ее подкрепляют балочной клеткой из стоек и обрешетин, передающих нагрузку на ригели и обеспечивающих устойчивость обшивки. Обычно необходимость в таком подкреплении возникает у поверхностных затворов. Стойки могут быть разрезными на ригелях или неразрезными.

4.2 Расчетно-графическая схема

Высота перекрываемого отверстия м, тогда высота затвора принимается с учетом сухого запаса м, м, а ширина перекрываемого отверстия ? = 3,0 м. Расчетный пролет затвора определяется как L= ? + (0,2…0,25) = 3,0+ 0,2 = 3,2 м.

Принимаем двухригельный колесный металлический затвор как наиболее экономичный и широко распространенный из-за простоты конструкции, точности передачи давления воды на опорно-ходовые части и легкости изготовления. В двухригельных затворах ригели располагаем на равных расстояниях от направления равнодействующей гидростатического давления. При соблюдении этого условия ригели получаются одинакового сечения.

Расчет ригелей ведём на равномерно распределённую нагрузку на 1 м длины при учете силы гидростатического давления воды и силы собственного веса ригеля по формуле:

, т

где Н - напор воды, Н = 1 м;

? - удельный вес воды принимаем равной 1т;

q₁ - равномерно распределенная нагрузка на 1 м длины.

Для ригелей используем прокатные профили двутаврового сечения. Принимаем предварительно двутавр №12. По таблице сортамента прокатных профилей определяем параметры двутавра: площадь поперечного сечения ; вес 1 п. м ; момент сопротивления ; момент инерции ; толщина стенки .

Собственный вес 1 п. м ригеля .

Отсюда можно определить суммарную нагрузку:

.

Максимальный изгибающий момент:

,

где - расчётный пролёт затвора.

Высоту ригеля определим по формуле:

,

где т/м² - расчетное напряжение для стали.

Получаем высоту ригеля:

,

что соответствует предварительно принятой высоте ригеля из двутавра №12.

Далее подобранное сечение ригеля проверяем на прогиб. Прогиб ригеля определяем по формуле:

,

где - сопротивление прогибу. .

.

Рассчитаем относительный прогиб :

.

Полученная величина не должна превышать нормативного значения:

.

Условие выполнено, т. к. рассчитанное значение не превышает нормативное.

Таким образом, окончательно можно принять прокатный профиль двутаврового сечения №12.

4.3 Окончательное проектное решение

На основании проведённых выше расчётов окончательно проектируем колёсный металлический затвор.

Ригели выполнены из прокатных профилей двутаврового сечения. Поперечные и опорные балки также запроектированы из проката двутаврового сечения, но на два порядка меньше профиля ригелей.

Нижняя и верхняя обвязки выполнены из швеллера, поперечные и продольные связи - из уголка, на порядок меньше швеллера.

Кроме этого, поверх каркаса затвора выполнена обшивка из металлических листов толщиной 6 мм.

В результате расчётов были вычислены размеры затвора:, .

Графическим способом определили положение ригелей в затворе (рис.).

Заключение

В данном проекте был последовательно решен комплекс вопросов по обоснованию необходимости, экономической и технической возможности сооружений. Разработано несколько вариантов конструкций и компоновок сооружений с последующей детальной разработкой.

При помощи справочно-методической литературы произведен расчет высоты гребня грунтовой плотины, устойчивости откоса грунтовой плотины, устойчивости бетонной плотины. Также выбран башенный водосброс для заданного рельефа и произведены соответствующие расчеты. Исходя из относительной дешевизны и простоты конструкции были выбраны плоские двухригельные затворы, произведены требуемые расчеты.

Список используемой литературы

1. Курсовое и дипломное проектирование по гидротехническим сооружениям. В.С. Лапшенков, М. Агропромиздат.: 1989 г.

2. Гидротехнические сооружения. Под ред. Н.П. Розанова, М. Стройиздат.: 1978 г.

3. Справочник по гидравлическим расчетам. П.Г. Киселев, М. - Л.: Госэнергоиздат.: 1961 г.

4. Гришин М.М. Гидротехнические сооружения. - М.: Энергия, 1968.-343 с.

5. Волков И.М., Кононенко П.Ф., Федичкин И.К. Гидротехнические сооружения. - М.: Колос, 1968. - 465 с.