 Введение
Задача данной работы – спроектировать бетонную водосливную плотину на нескальном основании в составе средненапорного гидроузла.
Гидроузел проектируется в составе бетонной водосливной плотины, которая служит для пропуска расходов воды в строительный и эксплуатационный периоды, и грунтовой плотины.
В качестве отчётных материалов выступают:
1) пояснительная записка с расчётами по обоснованию принятых конструктивных и компоновочных решений гидроузла;
2) чертёж формата A1 с показом компоновки гидроузла на разрезе по створу и конструкции водосброса (водосливной плотины, крепления нижнего бьефа).
1. Исходные данные проектирования
Заданы следующие данные:
Максимальный (расчётный) расход реки 
Минимальный расход реки 
Глубина водохранилища 
Максимальная глубина реки 
В задании задано геологическое строение и физико-механические свойства грунтов основания.
Виды грунтов: основания – глина (2) (Г3).
Задана топографическая карта района строительства и батиграфическая кривая реки (рисунок 1.1).
Рисунок 1.1 – Кривая зависимости УНБ от расчетного расхода
Для упрощения схемы пропуска расходов воды в период строительства, принимаем пойменную компоновку гидроузла. Бетонная водосливная плотина будет располагаться на пойме реки. От реки вода к водосливу будет подводится по подводящему каналу, а отводится – по отводящему каналу.
Топографическая карта райна строительства из задания
2. Гидравлические расчёты бетонной водосливной плотины 2.1 Выбор удельного расхода водосливной плотины
Ширина водосливной плотины назначается по удельному расходу, посчитанному двумя методами: методом допустимых скоростей на рисберме и методом не размывающих скоростей в яме размыва.
1. Определение допустимого удельного расхода  по допустимым скоростям [7, стр.117]:
где  – допустимая скорость на рисберме,
 – глубина нижнего бьефа (глубина воды на рисберме).
По заданию глубина воды в реке при расчётном расходе составляет  .
Для мелкого песка допустимую скорость принимаем равной  .
Удельный расход на рисберме по формуле (2.1) составит:
2. Определение удельного расхода  по глубине ямы размыва осуществляется по формуле:
где  – неразмывающая скорость,
 – глубина воды в яме размыва,
 – коэффициент неравномерности распределения потока по ширине ( ).
Не размывающая скорость потока определяется по методике Б.И. Студеничникова [7, стр.118]
где  – коэффициент размывающей способности потока, равный  ;
 – средний размер частиц грунта.
Для мелкого песка средний диаметр частиц грунта по заданию составляет  . Глубину воды в яме размыва принимаем равной
Не размывающую скорость необходимо определять для того грунта, который лежит на дне ямы размыва. Глубину воды в ковше (яме размыва) назначают исходя из технической возможности и экономической эффективности устройства глубокого 17 ковша. Для несвязных грунтов глубину ковша принимают до  , а для связных – до  . В абсолютных значениях глубина ковша в случае несвязных грунтов может достигать 30 м, в случае связных – 15 м. Однако для мелких рек глубины ковша не превышают соответственно 5 м и 10 м
 
В нашем случае не размывающая скорость потока по формуле (2.3) составит:
Максимальный расход, соответствующий глубине ямы размыва, по формуле (2.2)
Вывод: По результатам расчётов двумя методами принимаем расход равным  . Его значение позволит безопасно пропускать расчетный расход и уменьшить затраты на строительство гидроузла.
2.2 Проектирование водосливного фронта 2.2.1 Разбивка плотины на секции. Выбор ширины пролетов и размеров быков
Ширину водосливного фронта плотины по рисберме  определим по формуле:
где  – максимальный расчётный расход реки,
 – удельный расход на рисберме.
В нашем случае  , тогда по формуле (1.4)
Принимаем водосливной фронт в составе:
количество водосливных пролетов:  ;
ширина водосливных пролетов:  ;
количество и толщина разрезных быков  , 
Устройство водосливного франта показано на Рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Схема водосливного фронта
2.2.2 Определение действительного расхода на рисберме
Ширина рисбермы  определяется по формуле:
Действительный удельный расход на рисберме  равен:
Проверка выполнения условия:
Условие удовлетворено. Конструкция водосливного фронта подобрана корректно.
2.2.3 Выбор отметки гребня грунтовой плотины и крепления верхового откоса
Принципы определения отметки гребня
Превышение гребня плотины над уровнем верхнего бьефа и конструкция крепления верхового откоса определяются в зависимости от ожидаемого волнового воздействия.
В соответствии со СП 39.13330.2012 [ссылка] отметка верха крепления определяется исходя из условия:
 , (1)
где УВБ – уровень верхнего бьефа,
 – высота наката на откос ветровых волн обеспеченностью 1%;
Δh – высота ветрового нагона воды в верхнем бьефе;
a– запас (принимается равным не менее 0,5 м).
Высота наката волны определяется через значения параметров волн (высота  , период  , длина волны  ).
Определение параметров волн расчётного шторма
Система волн, образующихся при расчётном шторме, характеризуется средним значением периода волны , средней высоты волны и длины волны  . Величина этих параметров зависит от волнообразующих факторов: скорости ветра  и длины разгона волны L.
Приближённо среднюю высоту волны можно определить по формуле
 , (2)
где L – расчётная длина волны (м).
Среднюю длину волны приближённо можно принять
 (3)
Высота волны обеспеченностью 1% в глубоководной зоне определяется по формуле
 , (4)
где  – коэффициент, который может быть принят равным 2,1.
В нашем случае расчётная длина разгона волны составляет L=4,0 км, расчётная скорость ветра =26 м/с.
Средняя высота волны по формуле (2) составит
 .
Высота волны обеспеченностью 1% в соответствии формулой (4)
 .
Средняя длины волны по формуле (3) составляет
 .
Расчёт крепления верхового откоса каменной наброской
Минимальная масса камня, устойчивого на откосе при действии волн, в соответствии с СП 38.13330.2018 [ссылка] определяется по формуле:
 , (5)
где  – коэффициент, учитывающий материал, способ укладки и форму массивов,
 ,  – плотность соответственно материала камня и воды;
 – высота расчетной волны;
 – заложение откоса.
Для каменной наброски =0,025.
Чтобы оценить габариты устойчивого камня, определяется диаметр эквивалентного по массе шара:
 . (6)
В нашем случае заложение верхового откоса плотины составляет  . Примем плотность камня  .
Тогда минимальная масса камня, устойчивого на откосе, по формуле (5) составит
Диаметра эквивалентного шара по формуле (6) составляет
Камня такого размера в районе строительства нет, поэтому принимают крепление откоса железобетонными плитами.
Расчёт крепления верхового откоса железобетонными плитами
При применении крепления железобетонными плитами необходимо определить его толщину. Из условия всплытия всей плиты минимальная её толщина должна составлять не менее
 , (7)
где  – коэффициент надёжности,
 – плотность железобетона,
B – длина плиты по нормали к урезу воды (вдоль откоса).
Примем крепление плитами длиной 15 м.
По формуле (7) толщина плиты составит
 .
Определение высоты наката волны
Высота накатана откос волны обеспеченностью 1%вычисляется по формуле в соответствии с СП 38.13330.2018 [ссылка]:
 , (8)
где
 – коэффициент, выражающий высоту наката в долях от высоты волны.
 – коэффициент, учитывающий скорость ветра и заложение откоса,
 – коэффициент, учитывающий шероховатость поверхности откоса,
 – коэффициент, учитывающий водонепроницаемость откоса.
По графику в СП 38.13330.2018 [ссылка] при заложении верхового откоса mв=3 и пологости волны  коэффициент =1.
При заложении верхового откоса mв=3 и скорости ветра >20 м/с  .
Для крепления из бетонных плит  , =0,9.
Тогда высота наката волн по формуле (8)
 .
Выбор отметки гребня плотины
Отметка верха крепления по формуле (1) составит
 .
Принимаем отметку гребня грунтовой плотины 123,50 м.
Рисунок 2.2 – План грунтовой плотины
2.3 Конструирование и расчёт водосливного порога 2.3.1 Размещение затворов
Проектируем водослив практического профиля. Принимаем оголовок водослива с двумя затворами: рабочим и аварийно-ремонтным. В нашем случае (по согласованию с консультантом) для размещения затворов требуется устройство в профиле водослива горизонтальной вставки шириной  .
2.3.2 Определение отметки порога водослива
Отметка порога водослива  назначается, такой чтобы при создаваемом напоре на пороге  , отсчитываемом от НПУ, обеспечить пропуск расчетного расхода.
Универсальная формула пропускной способности поверхностного водослива:
где  – коэффициент расхода водослива,
 – коэффициент, учитывающий влияние на пропускную способность водослива бокового сжатия,
– ширина водосливных пролётов;
 – коэффициент, учитывающий влияние подтопления на пропускную способность водослива;
 – напор на пороге водослива с учетом скорости подхода  .
Ширина водосливных пролётов состоит из открытых пролётов
где  – количество открытых пролетов.
В соответствии с СП 58.13330.2019 [2] количество открытых водосливных пролетов выбирается в зависимости от общего количества пролётов с учётом наличия резервных пролётов. В нашем случае общее количество водосливных пролётов , резервный пролет потребуется  . Тогда ширина водослива по формуле (2.10)
Коэффициент расхода водослива практического профиля определяется по формуле [7, стр.95]
где  – общая ширина вставки на водосливном пороге, определяемая по формуле:
Коэффициент, учитывающий влияние бокового сжатия потока на пропускную способность водослива, будем приближённо принимать равным =0,97.
Коэффициент, учитывающий влияние подтопления на пропускную способность водослива, определяется по [4, табл. 6.10] в зависимости от  , где  – глубина подтопления, равная:
где  – отметка порога водослива.
В нашем случае подтопление невозможно, поэтому 
Из (2.9) расчётный напор на пороге водослива равен:
Напор  на пороге водослива с учетом скорости подхода будем принимать равным H, т.к. скорость подхода  .
Т.к. коэффициент , , зависят от напора, расчёт выполняем последовательными приближениями.
Первое приближение
В первом приближении примем m=0,47. Тогда расчетный напор на пороге водослива H по формуле (2.17)
Второе приближение
Ширину вставки водослива на пороге , определим по формуле (2.12).
Рассчитаем коэффициент расхода водослива по формуле (2.11).
Определим расчетный напор на пороге водослива H с учетом приближения по формуле (2.17):
Проверим отличие напора от принятого ранее  , следовательно, делаем следующее приближение.
Третье приближение
Ширину вставки водослива на пороге , определим по формуле (2.12).
Рассчитаем коэффициент расхода водослива по формуле (2.11).
Определим расчетный напор на пороге водослива H с учетом приближения по формуле (2.17):
Проверим отличие напора от принятого ранее
 , следовательно, дальнейшие приближения не нужны.
Определим отметку порога водослива .
Определим высоту водослива P по формуле (2.15).
Принимаем следующие параметры водослива:
– напор на пороге водослива  ;
– отметка порога водослива  ;
– высота водослива  ;
– ширина вставки на пороге водослива  .
2.4. Определение условий сопряжения бьефов при маневрировании затворами 2.4.1 Принципы расчёта сопряжение бьефов
Сопряжение бьефов осуществляется с помощью донного гидравлического прыжка. Прыжок должен находиться в затопленном состоянии при любых пропускаемых через водосброс расходах.
Условие затопления гидравлического прыжка имеет вид:
где  – раздельная глубина гидравлического прыжка в пространственных условиях;
 – бытовая глубина в нижнем бьефе
Для расчета принимаем следующие расчетные случаи маневрирования затворами:
случай №1: открыт один центральный затвор на 0,5 м;
случай №2: все затворы открыты полностью.
Необходимо для обоих расчетных случаев определить затоплен или отогнан гидравлический прыжок.
Раздельная глубина  (вторая сопряженная глубина гидравлического прыжка) в плоских условиях определяется по формуле:
где  – коэффициент кинетической энергии (коэффициент Кориолиса),  ;
 – число Фруда для потока в сжатом сечении,
 – сжатая (первая сопряженная глубина) гидравлического прыжка.
Число Фруда для потока в сжатом сечении определяется по формуле
где  – скорость потока в сжатом сечении.
Скорость потока в сжатом сечении определяется по формуле
где  – расход через один водосливной пролёт шириной b.
Сжатая глубины за водосливом определяется по формуле [7, стр.105]:
где  – коэффициент скорости, учитывающий потери энергии на водосливе;
 – полная энергия потока в верхнем бьефе.
Полная энергия потока в верхнем бьефе  равна:
где  – глубина воды в верхнем бьефе по отношению к поверхности водобоя:
Раздельную глубину в пространственных условиях определяют по формуле:
где  – коэффициент пространственного растекания:
где  – ширина одного пролета;
– общая ширина потока за водосливом;
 – коэффициент неравномерности распределения удельного расхода по ширине водосливного фронта.
В рассматриваемом случае B равна  ;
Глубина воды в верхнем бьефе по отношению к поверхности водобоя по формуле (2.23) составляет
Так как , то принимаем  .
2.4.2 Сопряжение бьефов по первому расчетному случаю
В случае, если затвор открыт частично, расход через один водосливной пролет определяется по формуле истечения из-под щита [7, стр.96].
где  – высота поднятия затвора, высота водосливного отверстия;
– коэффициент скорости истечения из-под затвора;
– ширина водосливного пролета;
– напор на пороге водослива;
 – коэффициент вертикального сжатия струи.
Коэффициент скорости истечения из-под затвора принимаем равным  .
В нашем случае:
ширина водосливного пролета, ;
напор на пороге водослива ;
высота открытия затвора a=0,5 м.
Коэффициент вертикального сжатия струи определяется по формуле А.Д. Альтшуля [7, стр.97]:
где  – относительное открытие затвора.
Относительное открытие затвора
В нашем случае по формуле (2.29)
 .
Коэффициент вертикального сжатия струи по формуле (2.28) составит
Расход через один водосливной пролёт при открытии затвора на 0,5 м по формуле (2.27) составляет
Коэффициент скорости, учитывающий потери энергии на водосливе, примем  .
В первом приближении принять  и вести расчет пока значения  двух приближений не сойдутся с точностью 1 см.
Принимаем сжатую глубину  .
Скорость потока в сжатом сечении определяем по формуле (2.21)
Число Фруда для потока в сжатом сечении по формуле (2.20)
Определяем раздельную глубину в плоских условиях по формуле (2.21)
Коэффициент неравномерности распределения удельного расхода по ширине водосливного фронта в первом случае равен 
Коэффициент пространственного растекания по формуле (2.26)
Определяем раздельную глубину в пространственных условиях по формуле (2.25):
2.4.3 Сопряжение бьефов по второму расчетному случаю
Общий расход водосливной плотины при всех открытых затворах будет равен . В этом случае расход через один пролёт определяется формулой
В нашем случае
Определение сжатой глубины за водосливом (первой сопряженной глубины) выполняем по формуле (2.22).
Принимаем сжатую глубину  .
Скорость потока в сжатом сечении определяем по формуле (2.21)
Число Фруда для потока в сжатом сечении по формуле (2.20)
Определение раздельной глубины (второй сопряженной глубины) выполняем по формуле (2.21)
Раздельная глубина в пространственных условиях во втором расчётном случае, когда все пролёты открыты, может быть принята равной  , так как влиянием пространственных условий можно пренебречь и  .
2.4.4 Определение условий сопряжения бьефов и необходимости водобойных устройств
Бытовые глубины определяются по батиграфической кривой (Рисунок 1.1) по проходящему через водослив расходу. В первом расчётном случае бытовая глубина соответствует минимальной заданной глубине нижнего бьефа. Во втором расчётном случае расход через водослив соответствует расчётному расходу, а бытовая глубина – максимальной заданной глубине нижнего бьефа.
Результаты анализа сведены в Таблицу 2.2.
Таблица 2.2 Условия сопряжения бьефов
Случай
|
|
|
|
|
|
Положение прыжка
|
Первый
|
3,34
|
0,69
|
2,30
|
1,0
|
1,30
|
Отогнан
|
Второй
|
9,22
|
1,00
|
9,22
|
8,00
|
1,22
|
Отогнан
|
Первый расчетный случай является наиболее опасным, т.к.  – максимальна. Так как гидравлический прыжок отогнан и  , то необходимо устройство водобойного колодца.
Глубина водобойного колодца  определяется по формуле:
где  – коэффициент запаса на заполнение гидравлического прыжка,  ;
 – коэффициент эффективности работы гасителей (влияния гасителей на раздельную глубину).
Коэффициент эффективности работы гасителей принимаем  .
Глубину водобойного колодца в первом приближении определяем по формуле (2.31)
Т.к. после устройства водобойного колодца изменяется условия сопряжения бьефов (увеличивается скорость потока, раздельная глубина), то необходимо увеличить глубину водобойного колодца. Примем  .
2.5 Выбор габаритных размеров водобойной плиты
Длина водобойной плиты назначается по максимально возможной длине гидравлического прыжка, которая соответствует второму расчётному случаю.
Длина совершенного незатопленного гидравлического прыжка  может быть найдена из соотношения:
где  – высота гидравлического прыжка.
Высота гидравлического прыжка определяется по формуле
Высота гидравлического прыжка для второго расчётного случая по формуле (2.33) равна
Коэффициент (соотношение) в формуле (2.32) определяется в зависимости от числа Фруда. В нашем случае при  . Тогда  . В соответствии с таблицей 2.6 [8, стр.40]  .
Длина гидравлического прыжка из формулы (2.33) равна
Длина водобойной плиты  назначается по формуле:
По формуле (2.34) длина водобойной плиты равна
Толщина водобойной плиты  определяется приближённо по формуле
Из формулы (2.35) толщина водобойной плиты
2.6 Конструирование рисбермы и концевого крепления 2.6.1 Определение общей длины крепления русла
Общая длина крепления  назначается в зависимости от длины гидравлического прыжка из соотношения [8, стр.45]:
Общая длина крепления русла по формуле (2.36) составит
2.6.2 Определение глубины ямы размыва. Выбор концевого крепления
Глубина воды в яме размыва  определяется по формуле Б.И. Студеничникова [8, стр.46]:
Если принимать, что дно ямы размыва расположено в глине, то расчётная глубина ямы размыва по формуле (2.37) составляет
По полученным глубинам можно сказать, что слой песчаного грунта размоется полностью, но размыв не пойдет глубже в толщу глинистого грунта. Поэтому глубина воды в яме размыва будет составлять  .
2.6.3 Конструирование рисбермы
Горизонтальный участок рисбермы рекомендуется устраивать на длину, в пределах которого возникает дефицит гидродинамического давления.
Минимальная длина горизонтального участка рисбермы  составляет [8, стр.47]:
где  – критическая глубина потока.
Критическая глубина выражается через удельный расход формулой [8, стр.42]:
По формуле (2.39) критическая глубина потока составляет
По формуле (2.38) минимальная длина горизонтального участка рисбермы составляет
Размеры первой плиты рисбермы назначаем по размерам водобоя. Конструктивно принимаем, что размеры каждой последующей плиты составляют  от размеров предыдущей плиты. Размеры плит уменьшаются до тех пор, пока их длина не достигнет 5 м, а толщина 0,3 м.
Первая плита:
Вторая плита:
Третья плита:
Четвертая плита:
Пятая плита:
Шестая плита:
Седьмая плита:
Восьмая плита:
Девятая плита:
Десятая плита:
Одиннадцатая плита:
Результаты расчета размеров плит рисбермы сведены в Таблицу 2.3.
Таблица 2.3. Размеры плит рисбермы
Размер
|
Порядковый номер плиты
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
i
|
|
24,0
|
16,0
|
10,7
|
7,1
|
4,7
|
3,2
|
2,1
|
1,4
|
0,9
|
0,6
|
?
|
|
2,4
|
1,6
|
1,1
|
0,7
|
0,5
|
0,3
|
0,2
|
0,1
|
0,09
|
0,06
|
?
| |
Скачать 1.32 Mb.