супер-пупер гтс. Пояснительная записка к курсовому проекту Подпорный гидроузел

• Название: Пояснительная записка к курсовому проекту Подпорный гидроузел
• Дата: 16.11.2020
• Размер: 424.39 Kb.
• Имя файла: супер-пупер гтс.docx
• Тип: Пояснительная записка; #150938
• страница: 4 из 4

Фильтрационные расчеты

Фильтрационный расчёт земляной плотины выполняется с целью определения положения депрессионной кривой, установления градиентов и скоростей фильтрационного потока и определения фильтрационного расхода. Расчеты выполняются для двух поперечных сечений плотины с различными конструкциями дренажных устройств: в русле (максимальная высота плотины и наличие воды в НБ) и на пойме (при отсутствии воды в НБ). В качестве расчетных уровней воды принимаются: в верхнем бьефе - НПУ; в нижнем бьефе (для руслового сечения) - максимально возможный уровень, но не более 0,2 Н_пл, т.к. результаты фильтрационных расчетов в дальнейшем будут использоваться для проверки устойчивости откосов плотины.

Дано:

(м)

(м)



где





где А, В, С, определяются по формулам:
Ординаты кривой депрессии определяются по формуле:


Рассчитаем координаты и сведем данные в таблицу, тогда:

hx	27,3	26,6	23,77	21,74	19,5
x	0	15	30	45	60

По полученным ординатам строим кривую депрессии.

3. Расчеты устойчивости откосов

Расчёт устойчивости низового откоса

Расчет устойчивости низового откоса плотины выполняется по методу круглоцилиндрических поверхностей скольжения. Целью расчёта является определение минимального коэффициента запаса устойчивости откоса плотины.

Расчёт производится для основного расчетного случая, соответствующего установившейся фильтрации в теле плотины, когда уровень воды в BБ равен НПУ, а в нижнем бьефе максимально возможному уровню, но не более 0,2 Н_пл.

Расчёт ведётся в следующем порядке. На миллиметровой бумаге в масштабе вычерчивается поперечное сечение плотины в русловой ее части, наносится кривая депрессии, а низовой откос с переменным заложением или при наличии на нем берм усредняется. Из середины этого откоса (точка С) проводится вертикаль СД и линия СЕ под углом 85⁰ к откосу. Из точек «А» и «В» как из центров очерчиваются две дуги окружности с радиусом R₀, которые пересекаются в точке «0». Значение радиуса определяется как



Проведя из точки «С» дугу радиусом до пересечения с линиями СD и СЕ, находится многоугольник oedba, в котором располагаются центры наиболее опасных поверхностей скольжения.

Расчетная кривая скольжения радиусом R должна пересекать гребень плотины и захватывать часть основания плотины, если в основании расположен нескальный грунт. Выделенная призма обрушения разбивается на "n" отсеков шириной b = 0,1 R. Разбивку на отсеки начинают с нулевого, середина которого располагается на вертикали, проходящей через центр кривой скольжения. Коэффициент запаса устойчивости низового откоса определяется по формуле:



где

вес грунта и воды в пределах i -го отсека;

суммарное воздействие взвешивающих и фильтрационных сил в пределах i -го отсека;

угол внутреннего трения грунта i -го отсека;

угол между вертикалью и линией, соединяющей центр кривой скольжения с серединой i -го отсека;

удельное сцепление грунта i-го отсека;

В общем случае, если в пределах рассматриваемого отсека проходит кривая депрессии, а над отсеком имеется столб воды, вес его определяется по формуле:



где

- высота части отсека, от линии откоса до кривой депрессии, измеренная по его середине;

- высота части отсека, насыщенного водой (от подошвы плотины до кривой депрессии);

- высота части отсека от кривой скольжения до подошвы плотины;

высота столба воды над отсеком;

- соответственно удельный вес грунта тела плотины естественной влажности, грунта тела плотины и грунта основания насыщенного водой;

удельный вес воды;

Суммарное давление воды на подошву отсека с учётом фильтрационных сил неустановившейся фильтрации определяется по зависимости:



Дальнейший расчет представлен в табличной форме.




Удельный вес среднего песка в состоянии естественной влажности:





Удельный вес среднего песка в насыщенном водой состоянии:





Удельный вес среднего песка в насыщенном состоянии:





Удельный вес воды:


Удельное сцепление среднего песка в состоянии естественной влажности:



Удельное сцепление среднего песка в насыщенном водой состоянии:



Удельное сцепление мелкого песка в состоянии естественной влажности:


Угол внутреннего трения среднего песка в состоянии естественной влажности:



Угол внутреннего трения среднего песка в насыщенном водой состоянии:


Угол внутреннего трения мелкого песка в насыщенном водой состоянии:



Ширина отсека

Расчёт устойчивости низового откоса
№ отсеков	sin a	cos a	y'i, м	y"i, м	y"'i, м	h, м	G, кН	Pi, кН	tg ф	(Gcos a-P)tg ф, кН	С, кПа	cb/cos a, кН	Gsin a, кН
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
-5	-0,825	0,57	0	0	0,9	3	238,11	79,63	0,58	31,72	3,00	26,54	-196,44
-4	-0,4	0,92	0	0	1,8	3	326,23	98,20	0,58	115,93	3,00	16,37	-130,49
-3	-0,3	0,95	0	1	2,7	2,1	467,24	193,93	0,58	145,37	3,00	15,72	-140,17
-2	-0,2	0,98	0	3	3,3	1	666,79	321,50	0,58	191,58	3,00	15,31	-133,36
-1	-0,1	0,99	1	4,2	3,6	0	841,93	391,96	0,58	257,35	3,00	15,08	-84,19
0	0	1,00	2	4,3	3,9	0	959,38	410,00	0,58	317,18	3,00	15,00	0,00
1	0,1	0,99	3	5,1	3,6	0	1086,61	437,19	0,58	371,80	3,00	15,08	108,66
2	0,2	0,98	3,5	6,2	3,3	0	1204,08	484,79	0,58	401,23	3,00	15,31	240,82
3	0,3	0,95	4,8	7,8	2,7	0	1403,75	550,35	0,58	455,38	3,00	15,72	421,13
4	0,4	0,92	4,5	8,1	1,8	0	1321,52	540,09	0,58	387,46	3,00	16,37	528,61
5	0,5	0,87	6,8	7,6	0,6	0	1335,14	473,43	0,70	478,13	2,00	11,55	667,57
6	0,6	0,80	7,8	5,9	0	0	1188,25	368,75	0,70	407,41	2,00	12,50	712,95
7	0,7	0,71	8,2	3,3	0	0	965,01	231,05	0,70	320,77	2,00	14,00	675,51
8	0,8	0,60	6,1	0	0	0	477,53	0,00	0,70	200,62	2,00	16,67	382,02
9	0,825	0,57	1,8	0	0	0	140,91	0,00	0,70	55,76	2,00	17,69	116,25
									∑=	4137,7	∑=	238,9	3168,9

3. ВОДОСБРОСНОЕ СООРУЖЕНИЕ.
В составе низко- и средненапорных гидроузлов с земляной плотиной могут устраиваться открытые и закрытые (трубчатые) водосбросные сооружения.

Открытые водосбросные сооружения могут располагаться в теле земляной плотины (водосборные плотины) и вне теле плотин (на берегу) - это береговые водосбросы.

Выбор типа водосбросного сооружения зависит от типа плотины и напора на ней, величины паводковых и строительных расходов, топографических, геологических и гидрологических условий района строительства, общей схемы организации работ и пропуска строительных расходов и др., и осуществляется на основании технико-экономического сравнения вариантов.

Береговые водосбросы применяются в составе гидроузлов низко­го и среднего напоров с грунтовой плотиной при паводковых расхо­дах, не превышающих 5000 м³/с. При тех же условиях и небольших паводковых расходах (до 100 м³/с, иногда больше), а также узких створах целесообразно применение трубчатых башенных водосбросов, т.к. они используются первоначально для пропуска строительных расходов, а в период эксплуатации они служат также и для смыва отложившихся наносов, и для опорожнения водохранилища.

3.1.Береговые открытые водосбросы.
Открытые береговые водосбросы состоят из подводящего канала, головной части в виде водосливной плотины, регулирующей сбрасываемый расход, сопрягающего сооружения и отводящего канала. Иногда между водосливной плотиной и сопрягающим сооружением устраивается промежуточный канал. Ось водосбросного тракта стремятся трассировать перпендикулярно горизонталям по возможности прямолинейной, что дает минимальную его длину. Трасса водосброса может быть криволинейной, она может проходить в пределах плеча плотины или вне ее.

По выбранной трассе водосбросного тракта на миллиметровой бумаге в масштабе строится продольный профиль дневной поверхности. На профиль наносятся все элементы водосброса таким образом, чтобы основания всех сооружений располагались на прочном коренном грунте при минимальных объемах земляных работ по устройству котлованов под сооружения водосброса.

Подводящий канал должен обеспечивать плавный подвод воды к водосливу. В плане он обычно имеет криволинейное очертание. При больших глубинах канал может выполнятся с горизонтальным дном, а при малых глубинах - с обратным уклоном, что обеспечивает более равномерный и плавный вход в него воды. Поперечное сечение подводящего канала трапецеидальное с заложением откосов от 1,5 до 2,5 в нескальных грунтах и от 0,5 до вертикальных - в скальных. Если скорость потока в канале превышают допустимые по размыву, дно и откосы его укрепляются каменной наброской или бетонными плитами.

Головная часть представляет собой водосливную плотину с широким порогом прямолинейного очертания в плане. Водосливной фронт плотины делится быками на отдельные водосливные отверстия, перекрываемые рабочими и ремонтными затворами. Стандартные размеры водосливных отверстий приведены в табл.3.1.

таблица 3.1

Пролет (ширина) отверстия, b, м	0,4 0,6 0,8 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 3 3,5 4 4,5 5 6 7 8 10 12 14 16 18 20 22 24 27 30
Высота отверстия, H, м	0,6 0,8 1 1,25 1,5 1,75 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 10 11 12 13 14 15 16

Гидравлический расчет водосливной плотины с широким порогом состоит в определении размеров (ширины и высоты) водосливных отверстий, их количества и проверки пропускной способности принятых размеров водосливных отверстий по формуле:

Q = _n mnb (3.1)

где _n - коэффициент подтопления водослива;

- коэффициент бокового сжатия;

m- коэффициент расхода водослива;

H₀ - напор на водосливе с учетом скорости подхода;

g- ускорение свободного падения;

n - количество водосливных отверстий;

b - ширина водосливного отверстия.

В первом приближении принимают _n = 1,0,  = 1,0 ,

m = 0,32...0,38 и H₀ = H. Величиной H задаются в пределах 2...5 м в соответствии со стандартными размерами отверстий (табл. 3.1). (Н=4 м)

Подставляя в формулу ориентировочные значения _, , m и H определяют величину n.b:

B=380/1*1*0.36*4^⅔*√2*9.81=23,78м
По найденной величине, в соответствии со стандартными размерами отверстий (табл. 4.1) и учитывая, что по условиям эксплуатации количество водосливных отверстий следует принимать не менее трех назначают ширину водосливного отверстия и их количество.

Принимаем 3 отверстия по 8 м

После определения высоты (H), ширины (b) и количества водосливных отверстий производится проверка пропускной способности проектируемой плотины.

Для этого необходимо уточнить значения H₀, m,  и _n.

Напор с учетом скорости подхода определяется по зависимости

Н₀ = Н + =4+ 3,4*3,4/2*9,81=4,63м (3.2)

где g - ускорение силы тяжести, принимаемое равным 9,81 м²/с;

 - коэффициент Кориолиса, равный 1...1,1;

V₀ - скорость подхода, равная средней скорости в ВБ в сечении, отстоящем от напорной грани водослива на расстоянии (3...5) Н.

V₀=3,4 м/с

Подставив все известные величины получим, что Н₀=4,63м

Если непосредственно за головной частью устраивается сопрягающее сооружение (быстроток, перепад и т.д.), то водосливная плотина с широким порогом будет неподтоплена и коэффициент подтопления _n = 1.

Коэффициент бокового сжатия для водосливов с широким порогом рекомендуется определять по А.Р. Березинскому [10]

 = 1 - , (3.3)

где р - высота водослива;

 = 0,1 - при плавном очертании быков и устоев;

 = 0,19 - при их прямоугольном очертании;

b - ширина водосливного отверстия;

d - толщина бычка.

Толщина неразрезного бычка

d = d₀ + 2n, (3.4)

(d = 1.8 м)

здесь d₀  0,8 м - толщина суженного пазами перешейка быка;

n = - глубина паза рабочих затворов;

m = ( ) b - ширина паза рабочих затворов.

Формула  = 1 - , справедлива при

> 0, 2 и <3, при < 2 следует принимать = 0,2 , а при > 3 - принимать = 3.

Для водоемов с широким порогом при 2,5  10 и

0   3 коэффициент расхода определяется по А.Р.Березинскому [10]:

- при закругленном входном ребре

m = 0,36 + 0,01 (3.5)

- при прямоугольном входном ребре

m = 0,32 + 0,01 (3.6)

m=0,369(для закруглённого входного ребра)

Уточнив таким образом все выше перечисленные параметры, производят проверку пропускной способности принятых размеров водосливных отверстий

Q = _nmnb H₀^3/2 Q_р.п.

m=0.369,  = 0.96, _n =1, Q =1*0.369*0.96*24* *4.63^1.5= 39 1м3/с

Q Q_р.п.

Запас по пропуску расчётного паводкового расхода .

Промежуточный канал проектируется в том случае, когда продольный профиль дневной поверхности по оси водосбросного тракта имеет небольшой уклон и устройство сопрягающего сооружения непосредственно за водосливом ведет к резкому увеличению объемов земляных работ в котлованах сооружений. Уклон дна канала принимается меньше критического, расчет выполняется по форму-

лам равномерного движения воды. Поперечное сечение промежуточного канала трапецеидальное, дно и откосы которого могут крепиться каменной неброской или бетонными плитами в зависимости от скорости потока и геологических условий.

Сопрягающее сооружение в береговых открытых водосбросах низко- и cредненапорных гидроузлов устраиваются в виде быстротоков, быстротоков с усиленной шероховатостью, консольных перепадов и многоступенчатых перепадов.

3.3 Быстроток

Выполняется в виде бетонного или железобетонного лотка с прямоугольным, трапецеидальным или полигональным поперечным сечением. Уклон дна быстротока принимается всегда больше критического и наиболее часто задается в пределах 0,05...0,25. Ширина быстротока может быть постоянной или переменной, что обуславливается как условиями гашения энергии в нижнем бьефе, так и возможностью некоторого сокращения объемов работ.

В быстротоках небольшой ширины на нескальном основании стенки и днища представляют собой монолитную неразрезную конструкцию докового типа. В широких быстротоках боковые стенки отрезаются от днища деформационными швами. Толщина днища принимается 0,3... 0,8 м, стенки и днище по длине лотка разрезаются деформационными швами через 20...25 м.

В плане быстротокам необходимо придавать прямолинейное очертание, но иногда для уменьшения объемов строительных работ

устpaивают быстротоки с виражом. На криволинейном участке дну быстротока придается поперечный уклон, вогнутая боковая стенка его делается большей высоты, чем выпуклая.

В быстротоках большой ширины, а также на криволинейных участках без поперечного уклона дна, для обеспечения устойчивости потока в поперечном направлении устраивают продольные раздельные стенки.

При высоком положении уровней фильтрационного потока по трассе быстротока устраивается дренаж под днищем и за боковыми стенками. Чаще всего применяется трубчатый дренаж.

Превышение боковых стенок быстротока над уровнем воды в нем (кривая свободной поверхности воды в быстротоке устанавливается гидравлическим расчетом) принимается по табл. 3.2

таблица 3.2

Расход в быстротоке, м3/с	1	1…10	10…30	30…50	50…100
Превышение боковых стен над уровнем воды, см	20	30	40	50	60

Гидравлический расчет быстротока при заданных параметрах поперечного сечения, длины и уклона дна заключается в построении кривой свободной поверхности потока и определении максимального значения его скорости, а также расчете сопряжения бьефов и выполняется в следующем порядке:

1. 
   Глубина воды на входе в быстроток (h₁) принимается равной критической глубине
   

h₁ = h_кр = , (3.7)

где  = 1...1,1;

Q - расход в быстротоке;

b_б - ширина быстротока.
h₁ = h_кр=(1,1*380²/24²*9,81)^2/3=3м

2. Подбором, задаваясь рядом значений глубины потока на быстротоке, определяют нормальную глубину из условия равенства модуля расхода, вычисленного по зависимостям

k = (3.8)

k = wc (3.9)

Принимаем h₂=0.6

ω=h*B; ω=0.6*24=14,4 м²

χ=2h +B; χ=2*0,6+24=25,2 м

; R=14,4/25,2=0,57 м

С= С=1/0,012*0,57^1/6=75,9

Q= Q=14,4*75,9*(√0,57*0,21)=378,1

В начале быстротока:

h₁₌3м

ω=72 м²

χ=30м

R=2,4м

С=96,4

В конце быстротока:

h₂₌0,6м

ω=14,4 м²

χ=25,2м

R=0,57м

С=75,9

С_ср =86,15

χ_ср =27,6

Величина j определяется по средним значениям c, b_б и  в начале и в конце быстротока, принимая в первом приближении глубину в конце быстротока h₂ = h₀

j = (3.10)
J_ср= = 1,1*86,15*86,15*24*0,21/9,81*27,6=149

k = wc

к₁=72*96,4*√2,4=10752

к₂=14,4*75,9*√0,57=825,2

Гидравлический показатель русла х определяется из соотношения модулей расхода и глубин в начале и в конце быстротока

( (3.11)

X=(2lg(K₁/K₂))/(lg*(h₁/h₂))=(2*lg(10752/825,2))/(lg(3/0.6))=3.2

Глубина воды на выходе из быстротока определяется из уравнения Б.А. Бахметьева

= ₂ - ₁ - (1 - j)[ (₂) - (₁)], (3.12)

где i₀ - уклон дна быстротока;

l - длина быстротока;

h₀ - нормальная глубина (при равномерном движении потока на быстротоке);
_{1 =} , ₂ = - относительные глубины в начале и в конце быстротока;

(₁), (₂) - функции относительных глубин, определяемые по таблице

j =

• 
  - смоченный периметр.
  

По таблице 9.3 [6] определяются значение функции (₁)

и все найденные величины подставляются в уравнение , решая подбором которое определяют значение функции (₂).

ŋ₁=h₁/h₂=3/0.6=5, φ(η₁)=0,013
По найденному значению (₂) определяется относительная глубина ₂ и находится глубина воды в конце быстротока h_2.

₂=1,65, (₂) =0.166, h₂=1,08

Делаем снова перерасчёт, вследствие чего получаем след. результаты:

h₂=1,08

w=25,92

R=0,99

C=83,33

X_cp=26,28

C_cp=83,94

K₂=984,8

X=3.2 ( не изменился )

h₁=3 h₂=1,08 h₀=0.6

Максимальная скорость в конце быстротока определяется по зависимости (3.13)

V_max = , (3.13)
величина которой не должна превышать допустимого значения, равного 14...15м/с.

V_max =380/24/1,08=14,66м/с

Глубина в конце быстротока принимается в качестве первой сопряженной (h_{2 =} h') и определяется вторая сопряженная глубина



h^’’=1,08/2*(√(1+8(3/1,08)³)-1)=6,55м
Если , где h_нб -глубина воды в нижнем бьефе при пропуске расчетного паводкового расхода, (определяется по кривой связи Q = f(h), то гидравлический прыжок будет затоплен и не требуется устанавливать гасители кинетической энергии потока на водобое. Если , то для затопления гидравлического прыжка необходимо запроектировать гаситель кинетической энергии потока (водобойный колодец или стенку).

В данном случае h^’’>h_нб (h_нб=3м). Значит мы должны запроектировать водобойный колодец или стенку. Выбираем водобойный колодец.

Глубина водобойного колодца на ступени: .
Длина прыжка



<sub>Тогда длина водобойного колодца, когда струя входит в колодец, определяется:

lk = (0,75…1)·lпр = 0,75·22,35= 16,76 м</sub>

Принимаем длину водобойного колодца 17 м.
Глубина воды в нижнем бьефе и поскольку , прыжок отогнан.

Заключение

Исходные данные для проектирования гидротехнических сооружений приведены в задании.

В соответствии с топографическим планом строительной площадки выбирается створ плотины и ось водосбросного сооружения.

В соответствии с заданием и исходными данными на проектирование подпорного гидроузла в составе плотины из местных строительных материалов и на основании топоплана строительной площадки масштаба 1:10000 выбран створ плотины и ось водосбросного сооружения. Произведено конструирование поперечного профиля и элементов плотины. Определена отметка гребня плотины и его ширина. Назначено заложение и очертание откосов плотины.

Выбраны устройства для крепления откосов, противофильтрационные и дренажные устройства, сопряжение тела плотины с основанием и бетонными сооружениями.

Произведены расчеты ширины гребня плотины, превышения гребня над УВБ, высоты плотины, заложения верхового и низового откоса плотины, противофильтрационного и дренажного устройства. Выполнены фильтрационные расчеты для определения положения депрессионной кривой, установления градиентов и скоростей фильтрационного потока и определения фильтрационного расхода. Для подтверждения величины заложения откосов производятся расчеты их устойчивости.

Выбран тип водосбросного сооружения – быстроток.

Список использованной литературы

1. 
   Методическое пособие к курсовому проекту «Подпорный гидроузел» по курсу «Гидротехнические сооружения» для студентов специальности Т.19.06 — «Водоснабжение, водоотведение, очистка природных и сточных вод» П.М.Богославчик, Г.Г.Круглов. Минск 2001.
   
2. 
   Конспект лекций, П.М. Богославчик
   
3. 
   Проектирование и расчеты гидротехнических сооружений: Учебное пособие/ П.М.Богославчик, Г.Г.Круглов. – Мн.: БНТУ, 2003. – 363 с.
   
4. 
   Методическое пособие «Технология и организация земляных работ при возведении гидроузла»: Н.М.Кунцевич, С.П.Гатилло, БПИ, 1987. – 58 с.