Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценка воздействия воды на напорные гидротехнические сооружения

1. Водоподпорные сооружения. Плотины

Рациональное использование природных ресурсов, в т.ч. и водных является залогом стабильной экологической обстановки в стране и мире.

Для рационального использования водных ресурсов в мировой практике используются различного рода гидротехнические сооружения. В зависимости от характера воздействий на речной поток гидротехнические сооружения делят на:

- водоподпорные, т.е. изменяющие режим потока;

- водопроводящие, т.е. создающие искусственные водные потоки.

Наиболее распространенным видом водоподпорных сооружений является плотина. (Гришин М.М., 1979)

Плотина - это массивная перемычка, возводимая для удержания водного потока, основное гидротехническое сооружение при использовании и регулировании водных ресурсов. Уже в доисторические времена в Египте, Месопотамии и других районах обитания человека строились простейшие плотины в виде насыпей из земли и камней. На протяжении многих веков устройство плотин определялось соображениями, почерпнутыми только из практического опыта, и лишь в 1853 французский инженер Де Сазилли теоретически обосновал их конструктивные принципы. (http://gidravl.narod.ru)

1.1 Классификация плотин. Назначение

Материалом для изготовления плотин могут служить: бетон, железобетон, песок, гравий и т.д.

Водосливные плотины возводятся, чтобы повысить уровень воды в реке или отвести водоток, что обычно необходимо при строительстве электростанций, для обеспечения судоходства или орошения земель. Глухими плотинами (без пропуска воды) перегораживают водоток и создают водохранилища, предназначенные для обеспечения городов водой или электроэнергией либо для ирригационных целей и т.п. У многих плотин этого типа верхняя часть устраивается так, что при необходимости может служить водосбросом. Плотина противодействует напору воды либо собственным весом (гравитационные плотины), либо своей конструкцией, силовые элементы которой обеспечивают устойчивость всего сооружения (арочные, контрфорсные плотины).

На плотину воздействуют различные сдвигающие силы, обусловленные давлением воды, льда, наносов, ветра, ударами волн, силами тяготения, температурными перепадами, реакцией грунта. В некоторых местностях необходимо учитывать и возможность землетрясений. Недоучет каких-либо сил может привести к разрушению плотины вследствие сдвига ее основания или перегрузки ее конструктивных узлов.

При проектировании гидротехнических сооружений надлежит обеспечивать и предусматривать: безопасность и надежность сооружений на всех стадиях их строительства и эксплуатации; максимально возможную экономическую эффективность строительства; постоянный инструментальный и визуальный контроль за состоянием гидротехнического сооружения и вмещающего массива горных пород, а также природными и техногенными воздействиями на них; подготовку ложа водохранилища и хранилищ жидких отходов промышленных предприятий и прилегающей территории; охрану месторождений полезных ископаемых; необходимые условия судоходства; сохранность животного и растительного мира, в частности, организацию рыбоохранных мероприятий; минимально необходимые расходы воды, а также благоприятные уровенный и скоростной режимы в бьефах с учетом интересов водопотребителей и водопользователей, а также благоприятный режим уровня грунтовых вод для освоенных земель и природных экосистем. (СНиП 33-01-2003)

1.2 Плотины из грунтовых материалов

Тип плотины следует выбирать в зависимости от топографических и инженерно-геологических или инженерно-геокриологических условий основания и берегов, особенно льдистости грунтов основания и размеров подруслового талика, гидрологических и климатических условий района строительства, величины напора воды, наличия грунтовых строительных материалов, сейсмичности района, общей схемы организации строительства и производства работ, особенностей пропуска строительных расходов воды, сроков ввода в эксплуатацию и условий эксплуатации плотины. (СНиП 2.06.05)

Тип и конструкцию плотины следует выбирать на основании технико-экономического сравнения вариантов, учитывающих технологию строительных работ, а также общую компоновку гидроузла. Сравниваемые варианты должны иметь одинаковую степень проработанности и надежности. Для возведения плотины из грунтовых материалов надлежит предусматривать использование грунта и камня, полученных из полезных выемок.

Конструктивные особенности плотин из грунтовых материалов регламентируются СНиП 2.06.05-84*.

Плотины из грунтовых материалов в зависимости от материала их тел и противофильтрационных устройств, а также способов возведения, подразделяют на основные типы:

Земляная насыпная - Грунты от глинистых до гравийно-галечниковых; отсыпают насухо с уплотнением или в воду;

Земляная намывная - Грунты от глинистых до гравийно-галечниковых; намывают средствами гидромеханизации;

Каменно-земляная - Грунты тела - крупнообломочные; противофильтрационных устройств - от глинистых до мелкопесчаных

Каменно-набросная - Грунты тела - крупнообломочные; противофильтрационные устройства - из негрунтовых материалов.

1.3 Бетонные и железобетонные плотины

Вид бетонной или железобетонной плотины следует выбирать в зависимости от топографических, инженерно-геологических и климатических условий с учетом сейсмичности района, компоновки гидроузла, намечаемых способов и сроков строительных работ, наличия местных строительных материалов и условий эксплуатации плотины на основании технико-экономических показателей вариантов, принимая во внимание также и экологические и социальные требования. (СНиП 2.06.06-85)

Классификация бетонных и железобетонных плотин (согласно СНиП 2.06.06-85):

По конструкции плотин:

Гравитационные (Приложение 1):

- массивные с расширенными швами

- с продольной полостью у основания

- с экраном на напорной грани

- с анкеровкой в основание

- с анкерным понуром

Контрфорсные:

- с массивными оголовками (массивно-контрфорсные)

- с арочным перекрытием (многоарочные)

- с плоским перекрытием

Арочные:

- с защемленными пятами

- с периметральным швом

- из трехшарнирных поясов

- с гравитационными устоями

Арочно-гравитационные.

По технологическому назначению:

Глухие

Водосбросные:

- с поверхностными водосливами;

- с глубинными водосбросами;

- многоярусные (с поверхностными водосливами и с глубинными водосбросами).

Гравитационные плотины. Гравитационная плотина застрахована от развала, если результирующая всех действующих на нее сил давления и тяжести приложена к основанию сооружения; тем не менее для плотины безупречной конструкции требуется, чтобы эта результирующая прилагалась к основанию ядра, расположенного в средней части тела плотины. Сжимающие напряжения, развивающиеся в низовой и верховой опорных призмах плотины, можно рассчитать из формулы:

V/b (1 ± 6e/b),

где V - вертикальная составляющая силы реакции опоры,

e - удаление точки ее приложения от центра,

b - ширина основания плотины; знак плюс в скобках берется для низовой призмы, а минус - для верховой. Если точка приложения результирующей силы выходит за границы средней трети основания призмы плотины, но все же находится в пределах самого основания, то напряжение на низовой призме определяется по формуле 2V/(b/2 - e). При этом допустимые напряжения должны быть с запасом меньше разрушающих. Сдвигу плотины препятствует в основном ее трение по грунтовому ложу, равное произведению V*f, где f - коэффициент трения. Сопротивление сдвигу плотины обеспечивается дополнительно заглублением выступов ее подошвы (зубьев) в грунт. Гравитационные плотины в плане обычно представляют собой дуги, опирающиеся на крутые и прочные берега реки; таким сооружениям присущи свойства арок. Распределение сопротивления смещениям такой плотины, вообще пропорциональное массе и другим физико-механическим характеристикам материала, из которого она построена, не удается описать точной формулой.

Чаще всего вода просачивается за каменную плотину через подстилающий слой грунта. Если плотина ставится на пласте водопроницаемой породы, то обычно ее диафрагма заглубляется в грунт так, чтобы полностью перекрыть путь фильтрационной воде или свести ее просачивание к минимуму. Напорную грань плотины стараются сделать водонепроницаемой, но все равно в теле плотины желательно заранее предусмотреть дренаж просачивающейся воды. Земляные плотины обычно делают с диафрагмой из бетона либо срединную часть их толщи (ядро) заполняют более плотным грунтом. В каменно-набросных плотинах либо возводятся водонепроницаемые диафрагмы (из конструкций и плотных природных материалов), либо их напорные грани выполняют из бетона, асфальтобетона или листовой стали. При строительстве плотин из монолитного бетона необходимо предусматривать специальные меры, исключающие появление трещин, через которые может просочиться вода. Дело в том, что при замесе на воде смеси цемента с песком и гравием или бутовым камнем в образующейся массе жидкого бетона развивается химическая реакция с выделением тепла и повышением температуры, а затем, при затвердевании, бетон остывает неравномерно и происходит его усадка, при которой в нем могут образоваться усадочные раковины и трещины. Вредные последствия разогрева и усадки бетона, способные привести к образованию полостей и трещин, можно уменьшить, контролируя процесс замеса различными способами: использовать в нем цемент с низкой экзотермией; сводить к допустимому минимуму долю цемента; предварительно остужать раствор до его укладки, чтобы создаваемый бетонный блок формировался уже при пониженной температуре; охлаждать замешиваемую массу, используя водяную или какую-либо другую систему охлаждения. Обычно ширина формируемого монолитного блока не должна превышать 15 м, толщина слоя бетонного раствора, укладываемого за один прием, - 1,5-3 м. Следующий слой или смежный блок можно укладывать по истечении некоторого времени или при соответствующем понижении температуры уже уложенного раствора. Стыки соседних блоков перекрываются гидроизоляционными заслонами из резины, пластика или некорродирующего металла. Тем не менее предусматриваются меры для свободного оттока воды с внутренней стороны гидроизоляции.

Рисунок 1 - Гравитационная бетонная плотина

Арочные плотины. Арочная плотина в виде единой дуги, перекрывающей речной поток от одного берега до другого, отличается прочностными достоинствами своей конструкции. Она выдерживает напор воды благодаря трем важным свойствам, в совокупности обеспечивающим ее устойчивость:

1) сопротивлению вертикальных элементов ее конструкции (которые действуют как консоли, заделанные в основание);

2) массе;

3) особенностям арочной конструкции, опирающейся концами на береговые устои и передающей через них напор воды. Если речная долина относительно узка, то основную нагрузку водной массы выдерживает арка как таковая; когда русло широко, существенную роль играют и остальные два свойства. У экспериментальной плотины Стивенсон-Крик, рассчитанной на перепад уровней воды 18 м, оторвалась опорная призма напорной грани при перепаде уровней 6 м, но после этого арка выдержала полную нагрузку. При подходящем рельефе местности строительство арочной плотины экономически выгодно, поэтому в 20 в. таких сооружений возведено довольно много. Напряжения, которые испытывают элементы конструкции арочной плотины, иногда рассчитывают, рассматривая плотину как сегмент кругового цилиндра с распределенной радиальной нагрузкой. При этом вид формулы довольно прост:

S = 41,9RH/T,

где S - напряжение,

R - радиус кругового цилиндра,

H - высота водяного столба, расположенного выше уровня рассматриваемого элемента конструкции плотины,

T - толщина арки плотины на этом уровне.

В результате получается, что толщина должна быть постоянна на одном и том же уровне и увеличиваться от гребня к основанию плотины. Поскольку при этом не учитываются напряжения, возникающие из-за температурных изменений, усадки материала и укорачивания ребра арки, модель простого цилиндра нуждается в уточнении и, принимая во внимание размеры плотин, необходимо проводить расчеты по всей последовательности горизонтальных сечений тела плотины, рассматривая каждое из них как упругую арку, заделанную концами в береговые устои. Процедура расчетов подобна той, которая используется при конструировании арочных мостов. Поскольку поперечное сечение долины реки имеет V-образный профиль, дуга гребня арочной плотины оказывается гораздо длиннее дуги ее основания. Если в расчетах по горизонтальным сечениям от гребня до основания плотины брать за основу дуги одного и того же радиуса, то кривизна основания плотины окажется недостаточной, поэтому некоторые арочные плотины рассчитывают при условии постоянства центрального угла для всех горизонтальных поперечных сечений. Однако это условие иногда приводит к негладким контурам проектируемого сооружения, поэтому на практике обычно находят компромиссные подходы, пользуясь постоянством то радиуса, то центрального угла.

Рисунок 2 - Арочная бетонная плотина

Многопролетные плотины. Относительно низкие плотины на реках с широким руслом в скальном ложе нередко строят из структурных узлов в виде непрерывных пролетов между опорами, контрфорсами или фермами. Напорные перекрытия, формирующие напорную грань плотины, могут представлять собой бетонные цилиндрические арки, армированные бетонные плиты либо конструкции листовой стали или толстых деревянных досок. Угол наклона напорной поверхности плотины относительно направления течения реки обычно выбирают близким к 45°, поэтому составляющая веса воды, действующая на плотину, способствует повышению ее устойчивости. Многоарочная плотина компонуется из бетонных полуцилиндров, опирающихся краями на контрфорсы, расположенные через каждые 15 м. Низкие плотины на широких реках со скальным грунтом выгодно делать из таких многоарочных конструкций, так как арки работают в основном на сжатие, благодаря чему при строительстве достигается экономия материалов. Нижние края полуцилиндров обычно снабжаются бетонным анкерным зубом, заглубляемым в скальный грунт. В те места арок, где могут возникать растягивающие напряжения из-за температурных колебаний, вводится стальная арматура; в районах с холодным климатом бетонные арки следует делать толще, чтобы уберечь арматуру от низкотемпературной коррозии. Перекрытия могут выполняться и в виде сегментов купола.

1.4 Воздействия водного потока на гидротехнические сооружения

Гидротехнические сооружения в процессе их строительства и эксплуатации испытывают меняющиеся во времени различные по природе и продолжительности действия нагрузки и воздействия. Нагрузки на ГТС подразделяются на постоянные и временные (длительные, кратковременные и особые).

К постоянным нагрузкам относят:

- собственный вес сооружений, а также вес основного технологического оборудования (затворов, гидроагрегатов, трансформаторов);

- давление воды на поверхности сооружений со стороны верхнего и нижнего бьефов;

- силовое воздействие воды, фильтрующейся через сооружение и его основание (противодавление);

- вес грунта и его боковое давление, горное давление.

К временным длительным нагрузкам относят:

- температурные воздействия в периоды строительства и эксплуатации, характерные для года со средними климатическими условиями;

- давление наносов;

- нагрузки от транспортных средств.

К кратковременным нагрузкам относят:

- давление волн и льда;

- снеговые и ветровые нагрузки;

- нагрузки от кранов, судов, плавающих тел.

К особым нагрузкам относят:

- гидростатическое давление, соответствующее форсированному УВБ;

- температурные воздействия для года с экстремальными климатическими условиями;

- сейсмические воздействия;

- динамические воздействия от промышленных взрывов.

Указанные нагрузки, соответствующие пропуску расхода воды основного расчетного случая, определяют, как правило, при нормальном подпорном уровне (НПУ) воды в верхнем бьефе. Их следует учитывать в составе основного сочетания нагрузок и воздействий.

Водный поток, подвергаясь воздействию, в свою очередь оказывает различного рода воздействия на гидротехнические сооружения.

Условно типы воздействия, оказываемые на гидротехнические сооружения можно классифицировать следующим образом:

1. Механическое - заключается в создании статического и динамического давления, величину которого определяют по формулам гидравлики и гидродинамики.

2. Воздействие фильтрационного потока, в результате которого происходит утечка воды из верхнего бьефа. Фильтрующаяся вода оказывает давление на подошву сооружения, в результате чего уменьшается сопротивление сдвигающим горизонтальным силам. Фильтрующаяся вода оказывает химическое воздействие на основание, растворяя и вынося в нижний бьеф соли, имеющиеся в породах, что приводит к их разрушению. Этот процесс называют механической суффозией.

3. Физико-химические воздействия заключаются в истирании поверхности сооружения. Металлические части подвергаются коррозии, вследствие чего полезная толщина их постепенно уменьшается. Бетонные сооружения могут разрушаться в результате выщелачивания.

4. Биологическое воздействие воды заключается в разрушительном воздействии различных живых организмов. (Гришин М.М., 1979).

5. Температурные воздействия на гидротехнические сооружения - происходят из-за взаимодействия сооружения с внешней средой (воздухом, водой), температура которой меняется, а также в результате внутренних процессов в теле сооружения, обусловленных такими явлениями, как разогрев бетонной кладки при ее твердении из-за экзотермии цемента, набухания, усадки, промораживания материала сооружения при взаимодействии с внешней средой и т.д. (В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон, 2002).

Водоподпорные сооружения удерживают огромные запасы воды. В случае аварии сооружения в нижнем бьефе образуется волна наполнения большой разрушительной силы, которая может вызвать гибель многих людей и нанести значительный ущерб расположенным ниже населенным районам. Это обстоятельство накладывает особую ответственность на гидротехников при производстве изысканий, проектировании, возведении и эксплуатации гидротехнических сооружений, поэтому указанные работы надо выполнять так, чтобы была исключена возможность аварий. (Волков И.М., 1968)

2. Расчет плотины

Безопасность гидротехнических сооружений - это свойство гидротехнического сооружения, позволяющее обеспечить защиту жизни, здоровья и законных интересов людей, имущества физических и юридических лиц, окружающей среды.

Неотъемлемой частью при проектировании любого гидротехнического сооружения является расчет сил гидростатического и гидродинамического давления.

Горизонтальная составляющая давления воды возрастает с глубиной, будучи равной произведению wh, где h - глубина и w - вес единицы объема воды. Следовательно, суммарное гидростатическое давление на единичной длины элемент поперечного сечения тела плотины составляет 1/2 (wh2), а равнодействующая его вертикального распределения приложена на уровне трети высоты плотины. При расчете давления воды на плотину труднее всего определить фильтрационное давление, действующее на подошву сооружения вследствие того, что под него просачивается вода. Чтобы выяснить порядок величины таких сил, проводятся многочисленные исследования как на моделях плотин, так и в натурных условиях. Значения этих сил изменяются в зависимости от способности грунтового ложа пропускать воду. Если подушкой фундамента плотины служат галька, речной песок, пористая порода или какие-либо неплотные отложения, то давление на основание опорной призмы плотины будет равно полному гидростатическому напору. Когда же основание плотины скрепляется цементным раствором с монолитным скальным грунтом и раствор заполняет все его щели, то такое давление составляет сравнительно небольшую долю (10-40%) гидростатического напора. Уменьшение его вдоль подошвы плотины от верховой опорной призмы к низовой зависит от расстояния и сдвигающих сил и у бровки низового откоса плотины становится меньше напора в нижнем бьефе. Площадь подошвы плотины, на которую действует фильтрационное давление, меняется от полного ее значения (для плотин на песчаном и галечном грунте) до 0 (для плотин с добротным бетонным понуром на скальном грунте). Чтобы уменьшить влияние фильтрационного давления, делают дренажные и обводные пути для водных потоков, способных проникнуть под плотину. Основное воздействие волн на плотину проявляется в периодическом изменении глубины водной массы, соприкасающейся с плотиной, хотя при некоторых обстоятельствах напорная грань плотины может испытывать и мощные удары волн, обусловленные их кинетической энергией. Хорошее приближение к действительности дает формула Хоксли зависимости высоты волны h от длины L ее «нагона» (в метрах), т.е. того расстояния, на котором волна набирает свою полную высоту. Давление льда на плотину определяется не вполне точно, но все-таки оно гораздо меньше тех сил, которые возникают из-за увеличения объема водохранилища перед плотиной. Практически приемлемая оценка давления льда составляет в среднем 210 кг/м?. Давление от ледяных масс можно уменьшить, продувая воздух через перфорированные трубы, уложенные перед плотиной на большой глубине. Воздушные пузыри, поднимаясь вверх, гонят более теплую воду к поверхности, и она препятствует образованию льда.

Расчеты бетонных и железобетонных плотин должны производиться в соответствии со СНиП II-50-74, СНиП II-16-76, СНиП II-56-77.

2.1 Фильтрация через плотину

Целесообразность построения эпюры избыточного давления на бетонную плотину обусловлена конструктивными особенностями гидротехнического сооружения. В связи с этим в настоящей работе приведен расчет фильтрации через плотину на водонепроницаемом основании и через плотину с ядром.

В грунтовых плотинах, теле которых выполнено из водопроницаемых грунтов, применяются противофильтрационные устройства.

Назначение их - уменьшить фильтрационные потери воды через тело плотины, а также повысить устойчивость низового откоса.

Основные противофильтрационные устройства в теле плотины - ядра, экраны диафрагмы. Для создания их применяют суглинки, глины, глинобетон, торф, находят применение и битумные составы, асфальтобетон, бетон и полимерные плёнки.

Основной мерой борьбы с фильтрацией является дренаж, т.е. элемент плотины, состоящий из хорошо проницаемых материалов и предназначенный для:

1. организованного сбора и отвода профильтровавшейся воды;

2. предотвращения выхода фильтрационного потока на низовой откос и в зону, подверженную промерзанию;

3. понижения депрессионной поверхности с целью повышения устойчивости низового откоса;

4. повышения устойчивости верхового откоса при быстрой сработке водохранилища, а также для уменьшения или снятия парового давления, возникающего при сейсмических воздействиях, отвода воды, профильтровавшейся через экран, ядро.

Основные конструкции дренажей:

- наслонный;

- дренажная призма (банкет);

- комбинированный;

- плоский горизонтальный;

- ленточный;

- трубчатый горизонтальный;

- трубчатый вертикальный.

Дренажные устройства обычно включают приемную и отводящую части. Приемная часть дренажа выполняется в виде фильтра (обратного фильтра), предназначенного для исключения фильтрационных деформаций грунта тела и основания плотины в месте выхода фильтрационного потока в дренаж. В качестве отводящей части используются крупнообломочные грунты тела дренажа выводные ленты и трубы. Принципиальное отличие береговых участков плотины, расположенных на отметках, превышающих максимальный уровень нижнего бьефа, от русловых и пойменных участков заключается в отсутствии необходимости защиты низового откоса от волновых воздействий со стороны нижнего бьефа, поэтому применяемые на незатопляемых береговых участках дренажи могут выполняться облегченной конструкции.

Данные для расчета фильтрации в теле плотины (вариант №3):

Нпл, м = 43;

H, м = 39;

b, м = 19;

m1 = 3,5;

m? = 4,5;

?1, м = 3;

?2, м = 10;

Bпл, м = 1100.

Свободная поверхность фильтрационного потока в теле плотины образует кривую депрессии, целью расч?та является определение глубин фильтрационного потока от верхнего до нижнего бьефа, скоростей движения воды и расхода потока.

Длина ?L находится по уравнению:

?L = H* m1/2 m1+1

где H - глубина в верхнем бьефе, м; m1 - заложение откоса плотины в верхнем бьефе.

?L = 43*3,5/2*3,5+1=18,81

Расч?тная длина фильтрационного потока определяется по уравнению:

L = ?L+ m1 (Нпл - Н)+b+ Нпл* m?,

где Hпл - высота плотины, м; b - ширина плотины по гребню, м.

L_расч. = 18,81+3,5 (43-39)+19+43*4,5 = 245,31

Высота выхода фильтрационного потока на низовом откосе составляет:

h = L_расч/ m? - [(L_расч/ m?)² - H²]^0,5

h ⁼ 245,31/4,5 - [(245,31/4,5)²-39²]^0.5 = 16,43

Остальные координаты кривой депрессии рассчитываются по уравнению:

yi = [H² - (H² - h² xi/ L_расч- h m?)]^0,5 = 39² - (39²-16,43²/16,43*4,5)^0,5 = 8,59 (при xi = 1);

yi = [H² - (H² - h² xi/ L_расч- h m?)]^0,5 = 39² - (39²-16,43²*2/16,43*4,5)^0,5 = 12,16 (при xi = 2);

yi = [H² - (H² - h² xi/ L_расч- h m?)]^0,5 = 39² - (39²-16,43²*3/16,43*4,5)^0,5 = 14,87 (при xi = 3);

yi = [H² - (H² - h² xi/ L_расч- h m?)]^0,5 = 39² - (39²-16,43²*4/16,43*4,5)^0,5 = 17,19 (при xi = 4);

yi = [H² - (H² - h² xi/ L_расч- h m?)]^0,5 = 39² - (39²-16,43²*5/16,43*4,5)^0,5 = 19,22 (при xi = 5);

yi = [H² - (H² - h² xi/ L_расч- h m?)]^0,5 = 39² - (39²-16,43²*6/16,43*4,5)^0,5 = 21,06 (при xi = 6);

yi = [H² - (H² - h² xi/ L_расч- h m?)]^0,5 = 39² - (39²-16,43²*7/16,43*4,5)^0,5 = 22,74 (при xi = 7);

yi = [H² - (H² - h² xi/ L_расч- h m?)]^0,5 = 39² - (39²-16,43²*8/16,43*4,5)^0,5 = 24,32 (при xi = 8);

yi = [H² - (H² - h² xi/ L_расч- h m?)]^0,5 = 39² - (39²-16,43²*9/16,43*4,5)^0,5 = 25,79 (при xi = 9);

yi = [H² - (H² - h² xi/ L_расч- h m?)]^0,5 = 39² - (39²-16,43²*10/16,43*4,5)^0,5 = 27,19 (при xi = 10),

в котором yi - ордината кривой депрессии на расстоянии xi от вертикальной оси y.

Рис. 2.1. Кривая депрессии

В ходе выполнения расчетов определяют положение кривой депрессии, фильтрационный расход воды через тело плотины и ее основание, скорости и градиенты напора фильтрации потока в теле плотины, основании, а также в местах выхода фильтрационного потока в дренаж, в нижний бьеф, в местах контакта грунтов с различными характеристиками и на границах противофильтрационных устройств.

Удельный фильтрационный расход на длине Lрасч составляет:

q = kф(H² - h²/2 (L_расч - h m?))

где h - высота выхода фильтрационного потока в нижнем бьефе, м; m? - заложение откосов плотины в нижнем бьефе.

q = 1,15*10^-6(39²-16,43²/2 (245,31-16,43*4,5)) = 0,0000042

Фильтрационный расход Qф, м?/с, определяется как произведение удельного фильтрационного расхода на длину плотины. Объем фильтрации через тело грунтовой плотины Wф плот, м?, определяется как произведение величины фильтрационного расхода на число секунд в рассматриваемом интервале времени.

Qф = q* ?L

Qф = 0,0000042*18,81 = 0,000079 м?/с.

Wф = 0,000079*2 592 000 = 204,768 м?.

Рисунок 2.1. Расчетные параметры кривой депрессии

2.2 Фильтрация через плотину с ядром

Для уменьшения фильтрации через земляную плотину в е? центре сооружают ядро из водонепроницаемого материала. Ядро имеет форму трапеции с основаниями ?1 и ?2.

?_ср. = (?1+?2)/2

?_ср = (3+10) 2=6,5

Коэффициент фильтрации ядра в несколько раз меньше коэффициента фильтрации грунта плотины. При расч?те фильтрации через тело плотины с ядром учитывается привед?нная (эквивалентная) длина ядра.

?_пр. = ?_ср* kф/ kя,

где kф - коэффициент фильтрации грунта плотины, kя - коэффициент фильтрации ядра. ?_пр = 6,5*1,15*10^-6/10*10^-5 = 7,475

Фильтрационные расч?ты плотины с ядром выполняются по уравнениям плотины без ядра, но с уч?том размеров ядра. Расч?тная длина фильтрационного потока Lрасч, включает длину эквивалентного ядра и определяется по формуле:

Lрасч = ?L+ m1 (Нпл - Н)+(b - ?_ср)+ ?пр+ Нпл* m?,

Lрасч = 18,81+3,5 (43-39)+(19-6,5)+7,475+43*4,5 = 417,788

Рисунок 2.2. - Кривая депрессии для плотины с ядром

Координаты кривой депрессии выше ядра (xi = 100-200 м) и ниже ядра (xi = 220-380) рассчитываются по уравнению:

yi = [H² - (H² - h² xi/ L_расч- h m?)]^0,5 = 39² - (39²-16,43²100/16,43*4,5)^0,5 = 8,59 (при xi = 100);

yi = [H² - (H² - h² xi/ L_расч- h m?)]^0,5 = 39² - (39²-16,43²*120/16,43*4,5)^0,5 = 12,16 (при xi = 120);

yi = [H² - (H² - h² xi/ L_расч- h m?)]^0,5 = 39² - (39²-16,43²*140/16,43*4,5)^0,5 = 14,87 (при xi = 140);

yi = [H² - (H² - h² xi/ L_расч- h m?)]^0,5 = 39² - (39²-16,43²*4160/16,43*4,5)^0,5 = 17,19 (при xi = 160);

yi = [H² - (H² - h² xi/ L_расч- h m?)]^0,5 = 39² - (39²-16,43²*180/16,43*4,5)^0,5 = 19,22 (при xi = 180);

yi = [H² - (H² - h² xi/ L_расч- h m?)]^0,5 = 39² - (39²-16,43²*200/16,43*4,5)^0,5 = 21,06 (при xi = 200);

yi = [H² - (H² - h² xi/ L_расч- h m?)]^0,5 = 39² - (39²-16,43²*220/16,43*4,5)^0,5 = 22,74 (при xi = 220);

yi = [H² - (H² - h² xi/ L_расч- h m?)]^0,5 = 39² - (39²-16,43²*270/16,43*4,5)^0,5 = 24,32 (при xi = 270);

yi = [H² - (H² - h² xi/ L_расч- h m?)]^0,5 = 39² - (39²-16,43²*330/16,43*4,5)^0,5 = 25,79 (при xi = 330);

yi = [H² - (H² - h² xi/ L_расч- h m?)]^0,5 = 39² - (39²-16,43²*380/16,43*4,5)^0,5 = 27,19 (при xi = 380).

3. Оценка устойчивости сооружения

Бетонные гравитационные плотины получили широкое распространение в гидротехническом строительстве. Вопросы, связанные с оценкой надежности и безопасности таких сооружений, являются весьма важными. При статическом расчете устойчивости на сдвиг все силы, действующие на плотину, разлагают на горизонтальные и вертикальные составляющие.

Исходные данные для расч?та:

Hпл = 48,0

h1, h2 = 45,0 и 4,6

?h = 0,7

?б = 2 200

b = 32

B = 51

Класс капитальности - II

Характеристика шва сдвига - Прочная, слабо трещиноватая скальная порода.

3.1 Оценка устойчивости плотины на сдвиг

Расч?т устойчивости бетонной плотины на сдвиг по линии основания выполняется пут?м вычисления коэффициента запаса kз по действующим силам, который сравнивается с его допустимым значением k з. доп.

k з. = (fN+cBl)/T

где N - сумма вертикальных проекций сил, Н; Т - сумма горизонтальных проекций сил, Н; В-ширина сооружения по основанию, м; l - длина сооружения по основанию, м; f - коэффициент трения; с - коэффициент сцепления, Н/м?.

Коэффициент k з. рассчитывается по параметрам сооружения для основного сочетания сил и проверяется для особого сочетания сил.

При вычислении значение коэффициента kз учитывается сила тяжести сооружения G, сила гидростатического давления в верхнем бьефе Р1, сила гидростатического давления в нижнем бьефе Р2, сила фильтрационного давления W.

При проектировании сооружения учитывается также давление наносов и давление льда в верхнем бьефе, волновое давление и сейсмические силы, которые при решении задач в рамках данного курса не рассматриваются.

Сила тяжести G и сила Р2 являются удерживающими силами, сила W стремится поднять плотину. Сила Р1 сдвигает плотину по горизонтали, а сила Р2 удерживает е? от сдвига.

Рисунок 3.1. Силы, действующие на плотину

Сумма вертикальных проекций сил:

N = G + P2 cos а - W

Сумма горизонтальных проекций сил:

Т = Р1 - Р2 sin а

Силы гидростатического давления Р1 и Р2 рассчитываются как силы давления на плоскую стенку:

Р1 =0,5 ?g l h1²

Р1 =0,5*1*9,81*1*45*45 = 9 932,625

P2 = 0,5 ?g l h1²/sin а

P2 = 0,5*1* 9,81*l*4,6*4,6/sin 1,194 = 111,722

где ? - плотность воды, кг/м?; h1, h2 - глубина воды соответственно в верхнем и нижнем бьефах, м; l=1 м; g = 9,81 м/c2.

Угол ? при заданных размерах плотины b (ширина по гребню), B (ширина по основанию), Hпл (высота плотины) определяется как:

? = ? arctg (Hпл/ B - b)

? = ? arctg (48/19) = 1,194

Вертикальная сила фильтрационного давления на подошву плотины составляет:

W = ?glB (h1+ h2)/2

W = 1*9.81*1*51 (45+4.6)/2 = 12 407.688

Сила тяжести бетонной плотины равна:

G = ?б g Hпл (b+В)/2*l

G = 2200*9.81*48 (32+51)/2 = 42 991 344

3.2 Оценка устойчивости сооружения на всплывание

Проверка устойчивости плотины на всплывание заключается в сопоставлении вертикальных проекций сил N_вн = G+ P₂ cos а, направленных вниз, и вертикальных проекций сил N_вв = W, направленных вверх:

N_вн = 42 991 344 + 111,722*0,367 = 42 991 385

k = N_вн/N_вв

k = 42 991 385/12 407.688 = 3 464.9

Если k больше единицы, то плотина не будет всплывать.

3.3 Проверка устойчивости плотины на опрокидывание

Проверка устойчивости плотины на опрокидывание заключается в сопоставлении суммы моментов удерживающих сил относительно точки А с суммой моментов опрокидывающих сил относительно той же точки. Условие устойчивости на опрокидывание оценивается коэффициентом:

ko = Муд / Мопр

где ko - коэффициент устойчивости, Муд - сумма удерживающих моментов, Мопр - сумма опрокидывающих моментов.

Со стороны верхнего бьефа на плотину действует опрокидывающая сила Р1 по нормали к вертикальной грани плотины. Сила Р1 проходит через центр давления в точке d на расстоянии 1/3 h1 от основания треугольника, плечо силы ds = h1/3. Сила Р1 стремится опрокинуть плотину, перевернуть е? относительно точки А. Mомент силы MP1, равный произведению силы на плечо, составляет MP1= ds·Р1.

Со стороны нижнего бьефа на плотину действует удерживающая сила Р2, которая, как и сила Р1, направлена по нормали к наклонной грани плотины. Сила приложена в точке n на расстоянии 1/3 высоты треугольника. Плечо силы nA = h2 /(3 sin ?), момент М Р2 = nA·Р2.

Для определения центра давления необходимо найти положение центра тяжести силовой трапеции. Для этого выполняются следующие построения:

- верхнее основание трапеции удлиняется на величину нижнего основания (DF = ВA), нижнее основание - на величину CD (BE = СD);

- точки Е и F соединяются;

- вторая линия проводится через середины оснований трапеции АВ и DС.

Пересечение линий да?т положение центра тяжести трапеции - точку О, через которую проходит вектор веса плотины. Аналогичные построения делаются для определения центра тяжести эпюры фильтрационного давления.

Рисунок 3.2. Определение центра тяжести трапецеидальных эпюр (а) - сечение плотины, б) - эпюра фильтрационного противодавления)

Плечи сил G и W определяются графически по эпюрам, построенным в принятых масштабах глубины и ширины.

Момент силы тяжести плотины является удерживающим моментом. Момент силы противодавления - опрокидывающим моментом.

Таким образом, для рассматриваемого случая сочетания действующих сил и их моментов имеем два удерживающих и два опрокидывающих момента.

Таблица 1 - Определение моментов действующих сил

Сила	Величина силы, кН	Плечо силы относительно точки А, м	Момент силы относительно точки А, кНм
Р1	9 932,625	15	148 989,375
Р2	111,722	3	335,166
G	42 991 344	30	1 289 740 320
W	12 407,688	230	2 853 768,24

Сумма опрокидывающих моментов Mопр = MP1 + MW.

Mопр = 148 989,375+2 853 768,24=3 002 757,615

Сумма удерживающих моментов Муд = MP2 + MG

Муд = 335,166 +1 289 740 320 = 1 289 740 655,166

Их отношение позволяет определить коэффициент устойчивости плотины ko.

ko = Муд / Мопр

ko = 1 289 740 655,166/ 3 002 757,615 = 429,5

429,5 > 1 => гидротехническое сооружение устойчиво к опрокидыванию.

Заключение

водоподпорный плотина давление эпюра

В настоящей работе приведен алгоритм построения эпюры гидростатического давления на примере гравитационной и арочной бетонных плотин.

В работе приведена классификация плотин по назначению, по материалу изготовления и т.д. Описаны виды воздействия водного потока на гидротехнические сооружения.

Обоснована необходимость и целесообразность проведения расчетов силы гидростатического давления на бетонную плотину и ее конструктивные элементы.

Список литературы

1. Чугаев Р.Р. Гидравлика (техническая механика жидкости). - Л.: Энергоиздат, 1982. - 672 с.

2. Кожевникова Е.Н., Орлов В.Т. Методические указания по выполнению курсовых и расчетно-графических работ по курсу гидравлики. - Л.: Издание ЛПИ им. М.И. Калинина, 1985. - 48 с.

3. http://gidravl.narod.ru, 16.10.2013 г.

4. СНиП 2.06.06 - 85 Плотины бетонные и железобетонные. - М.: Стройиздат, 1986. -37 с.

5. В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон, «Гидроэлектростанции», Красноярск, 2002 г.

6. Волков И.М., Кононенко П.Ф., Федичкин И.К., Гидротехнические сооружения, М., Колос, 1968.

7. Гидротехника основные понятия. Термины и определения. СО 34.21.308-2005/ Разработан: Открытым акционерным обществом «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники им. Б.Е. Веденеева» при участии ОАО «Институт Гидропроект» и ОАО «Теплоэлектропроект».

8. СНиП 33-01-2003. Гидротехнические сооружения. Основные положения. Утв. приказом Министерства регионального развития РФ от 29 декабря 2011 г. №623.

9. Гидравлика с основами гидротехники. Методические рекомендации к написанию курсовой работы. Е.Н. Сутырина. Иркутск, 2010.

10. Гидротехнические сооружения. Уч. для студентов вузов / под ред. Гришина М.М. - М. 1979.

11. Гидротехнические сооружения / Н.П. Розанов [и др.]. - М.: Агропромиздат, 1985. - 432 с.

12. Субботин А.С. Основы гидротехники / А.С. Субботин. - Л.: Гидрометеоиздат, 1983. - 318 с.

Размещено на Allbest.ru