Курсовой проект - Бетонная водосливная плотина на нескальном основании - файл n1.doc

приобрести
Курсовой проект - Бетонная водосливная плотина на нескальном основании
скачать (1253 kb.)
Доступные файлы (2):
n1.doc1604kb.26.12.2011 22:52скачать
n2.dwg

n1.doc

  1   2


ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПО ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра гидротехнических сооружений

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

НА ТЕМУ:
“ВОДОСБРОСНАЯ ПЛОТИНА В СОСТАВЕ НИЗКОНАПОРНОГО ГИДРОУЗЛА”
Факультет: ГСС

Группа: группа IV -2

Выполнил:

Руководитель проекта: Толстиков В.В.


Москва 2010

Оглавление


Введение

Глава I. Условия района строительства

1.1 Состав и назначение гидроузла

1.2 Топографические и геологические условия

1.3 Гидрологические условия

Глава II. Гидравлические расчеты водосливной плотины

2.1 Выбор удельного расхода на рисберме

2.2 Проектирование водосливного фронта

2.3 Определение отметки гребня водослива

2.4 Расчет сопряжения бьефов при маневрировании затворами

2.5 Расчет пропуска поверочного расхода

2.6 Расчет гасителей энергии

2.7 Расчет водобойного колодца

2.8 Расчет устойчивости водобойной плиты

2.9 Конструирование рисбермы и концевого крепления

Глава III. Конструирование подземного контура и

фильтрационные расчеты

3.1 Конструирование подземного контура

3.2 Расчет фильтрационной прочности

3.3 Определение фильтрационного противодавления

3.4 Определение фильтрационного расхода

Глава IV. Статические расчеты секции водосливной плотины

4.1 Сбор действующих нагрузок

4.2 Расчет контактных напряжений

4.3 Расчет устойчивости плотины на плоский сдвиг

4.4 Расчет устойчивости с захватом основания

Глава V. Гидравлический расчет пропуска строительных расходов

5.1 Описание схемы пропуска строительных расходов

5.2 Расчет пропуска расхода перекрытия реки

5.3 Расчет пропуска строительного паводка

Заключение

Список используемой литературы



Введение


Курсовой проект выполнен в соответствии с заданием № 26 Основная цель работы – возведение низконапорной плотины в составе гидроузла.

Для выполнения задания выдан генплан в створе плотины, геологический разрез по створу плотины, характеристика грунтов основания и берега.

Глава I. Условия района строительства


    1. Состав и назначение гидроузла

Проектируемый гидроузел 1 класса ответственности, в данном курсовом проекте носит транспортно-энергетический характер. В его состав входят: здание ГЭС, водосливная плотина, грунтовая плотина и шлюз.


    1. Топографические и геологические условия

Долина реки имеет асимметричный профиль. На правом берегу располагается пойма шириной приблизительно около 250м, на левом – 160м. Берега и основание в районе строительства сложены из разнозернистого песка, мощность слоя которого более 40м.

    1. Гидрологические условия

Для проектирования комплексного гидроузла получена кривая расхода, расчетные расходы воды, отметки и , толщина льда в водохранилище, характеристики ГЭС и шлюза.

Физико-технические характеристики грунтов основания.


Грунт

Удельный вес частиц грунта ,

Удельный вес сухого грунта

Угол внутреннего трения , є

Удельное сцепление ,

Коэффициент фильтрации ,

Песок

26.6

17.9

32

-

6.1∙10-2


Расчетные расходы воды эксплуатационного периода ().


Поверочный

Расчетный

ГЭС

Минимальный

6200

5500

1600

200


Расчетные расходы воды строительного периода ().


Максимальный

При перекрытии русла

2900

630


Отметка нормального подпорного уровня – ;

Отметка уровня мертвого объема – ;

Толщина льда в водохранилище – ;

Назначение гидроузла – комплексный гидроузел;

Состав гидроузла – бетонная водосливная плотина, здание ГЭС, земляная плотина, шлюз ( - размеры проекта «Шлюзы»).

Класс сооружения по рекомендациям СНиП 2.06.01-86 – ;

Коэф. надежности по степени ответственности сооружения – .
Глава 2. Гидравлические расчеты водосливной плотины

На этом этапе проектирования, уточняются размеры и конструкции водосливной плотины. Размеры и число отверстий принимают на основании сравнения технико-экономических показателей различных вариантов их выбора в зависимости от сбросного расхода воды основного расчетного случая, допустимого по геологическим условиям русла удельного расхода с учетом гидравлической работы других сооружений (ГЭС, шлюза).
2.1 Выбор удельного расхода на рисберме

Удельный расход, т.е. расход, проходящий через 1 м ширины водопропускного фронта сооружения, является важнейшей характеристикой пропускной способности сооружения, а выбор его значения во многом определяет конструкцию водопропускного сооружения, режимы сопряжения бьефов и как следствие, технико-экономические показатели всего гидроузла.

Изменяя удельный расход, можно получить различные варианты конструктивного решения водопропускного сооружения и крепления верхнего и нижнего бьефов. При этом увеличение удельного расхода ведет к уменьшению ширины водопропускного сооружения и снижению его стоимости, но к увеличению затрат на крепление нижнего бьефа и его заглублении в основание.

На предварительных стадиях проектирования для выбора оптимального значения удельного расхода в нижнем бьефе водосливных плотин можно воспользоваться следующими способами:
1. по допустимым скоростям на рисберме:

Задаемся допустимой средней скоростью на рисберме в зависимости от вида грунта, на котором располагается рисберма:

Принимаем допускаемую не размывающую скорость , т.к. основание – песок.

Принимаем отметку поверхности воды на рисберме, равной отметке поверхности воды в реке в естественных условиях. И по кривой находим отметку уровня воды в нижнем бьефе при расчетном расходе. Расчетный расход равен , отметка нижнего бьефа равна . Зная отметку дна реки , находим глубину потока на рисберме:



Определяем удельный расход:


2. по яме размыва за креплением русла (способ Б.И. Студеничникова):

После схода потока с бетонного крепления рисбермы происходит размыв русла – образуется яма размыва. Задаваясь глубиной, при которой произойдет стабилизация ямы размыва, можно определить соответствующую предельную величину удельного расхода:



где - неразмывающая скорость на дне ямы размыва;

- глубина воды в яме размыва;

- коэффициент, учитывающий неравномерности распределения удельного расхода по ширине водосливного фронта ().

В данном курсовом проекте глубина ямы размыва принимается равной:



Для определения неразмывающей скорости можно использовать эмпирическую формулу Студеничникова:



где - коэффициент размывающей способности потока ();

Определяем удельный расход:



Вывод: Расчеты по определению безопасного удельного расхода на рисберме показывают, что удельный расход следует принять 20 – 23 м2/с, но исходя из опыта строительства каскада Волжских ГЭС на песчаном основании, примем удельный расход 30.0 м2/с.

Определяем примерную ширину рисбермы плотины вдоль напорного фронта:



где - расчетный сбросной расход водослива.
2.2 Проектирование водосливного фронта

Необходимо определить требуемое количество водосливных пролетов, их ширину, а также разбить конструкцию водосливной плотины на секции и определить толщину быков. При этом общая конструкция должна примерно соответствовать требуемой ширине . Ширина рисбермы соответствует расстоянию между двумя устоями (крайние быки).

В данном курсовом проекте принимаем 7 секций (7 пролетов по ), 6 разрезных быков по .

После определения количества пролетов, их ширины и назначения толщины быков необходимо проверить соответствие удельного расхода принятого ранее.





(найденный расход отличается от принятого ранее не более чем на - следовательно, принимаем удельный расход, равный ).


2.3 Определение отметки гребня водослива

Необходимо определить отметку порога водослива, запроектировать профиль водослива и решить вопрос о размещении затворов. В курсовом проекте используем водослив практического профиля, т.к. это позволяет уменьшить стоимость гидромеханического оборудования, размещенном на водосливе.

При проектировании профиля водосливного порога необходимо предусмотреть возможность размещения затворов. В данной работе проектируем оголовок с двумя затворами: рабочим и аварийно-ремонтным.

Отметка порога водослива назначается такой, чтобы при создаваемом напоре на пороге был возможен пропуск расчетного паводка при . Для этого используем универсальную формулу расхода водослива:



где - коэффициент расхода водослива;

- ширина водослива ();

- коэффициенты, учитывающие влияние на пропускную способность водослива соответственно бокового сжатия и влияния подтопления;

- напор на пороге водослива с учетом скорости подхода :



Для определения снижения коэффициента расхода за счет устройства горизонтальной вставки используем формулу:



где - общая ширина вставки на водосливном пороге, включая горизонтальную вставку в 1.2 метра…

()

Для вычисления коэффициента бокового сжатия используем формулу:



где - высота водослива (при принимаем );

- ширина потока до водослива (при принимаем ).

Учет подтопления водослива практического профиля производиться, если отметка его порога окажется ниже уровня нижнего бьефа. Для определения используем таблицы, которые дают связь с отношением ( - глубина полтопления водослива).

Определяем скорость подхода воды к водосливу:



где - площадь поперечного сечения водохранилища в створе гидроузла.



Т.к. скорость подхода , то ею можно пренебречь.

Напор на водосливе и отметку гребня водослива находим последовательными приближениями.
1-е приближение: , ,



2-е приближение:













3-е приближение:










Принимаем , , .

Очертание водослива практического профиля строится по известным координатам Кригера – Офицерова. Внизу водосливная поверхность плотины плавно сопрягается с горизонтальной поверхностью крепления нижнего бьефа цилиндрической поверхностью радиусом .

Координаты для построения оголовка безвакуумного водослива с оголовком профиля А для напора :

Х,м

У,м

0.000

0.838

0.665

0.239

1.330

0.047

1.995

0.000

3.195

0.000

4.395

0.040

5.595

0.180

6.795

0.399

7.995

0.665

9.195

0.971

10.395

1.317

11.595

1.703

12.795

2.135

13.995

2.621

15.195

3.159

16.395

3.751

17.595

4.397

18.795

5.082

19.995

5.807

21.195

6.565

22.395

7.370

Нижнюю часть водосливной грани очерчиваем по дуге круга радиусом . Величина этого радиуса назначается в зависимости от высоты плотины и напора на гребне водослива. Сопрягающий радиус находится интерполяцией по таблице значений сопрягающих радиусов.

Для , принимаем .
2.4 Расчет сопряжения бьефов при маневрировании

затворами

После возведения гидроузла нарушаются естественные условия прохождения паводков: они пропускаются через водопропускные сооружения, суммарная ширина которых обычно меньше ширины потока в русле реки, со скоростями значительно большими, чем скорость течения воды в естественных условиях.

Гашение энергии в основном происходит за счет турбулизации потока при образовании вихрей, соударении струй, при динамическом воздействии на препятствия и перемещения частиц грунта русла реки при процессах эрозии (размыва). Значительные потери энергии сбросного потока происходят в водоворотных зонах и, в частности, в гидравлическом прыжке, который является эффективным гасителем кинетической энергии, при этом часть энергии расходуется на колебания крепления, основания и на образование волн.

Условия работы крепления нижнего бьефа, предназначенного для защиты русла реки от размыва сбросным потоком на участке гашения его избыточной кинетической энергии, зависят в значительной мере от режима (вида) сопряжения потока с водной массой в нижнем бьефе.

Наиболее эффективное гашение энергии происходит при донном режиме сопряжения бьефов на участке донного гидравлического прыжка.

В ходе расчета выявляется, в каком случае возникает наиболее опасный случай сопряжения бьефов при маневрировании затворами.

Рассмотрим случаи:

1. центральный затвор открыт на ;

2. все затворы открыты на ;

3. центральный затвор открыт на , остальные на ;

4. все затворы открыты на ;

5. центральный затвор открыт полностью, остальные на ;

6. все затворы открыты полностью.

Для каждого из расчетных случаев следует определить, затоплен или отогнан прыжок. При этом необходимо учитывать влияние на положение прыжка пространственного растекания. Условие затопления гидравлического прыжка:



где - раздельная глубина прыжка в пространственных условиях;

- бытовая глубина в нижнем бьефе.
2.4.1 определение расхода через один водосливной пролет при различных открываниях затвора:
Для определения расхода через водосливное отверстие используем формулу “истечения из-под щита”:



где - расход через один водосливной пролет при открытии затвора на высоту ;

- коэффициент вертикального сжатия струи;

- ширина водосливного пролета;

- коэффициент скорости.

Коэффициент вертикального сжатия струи определяем по формуле А.Д. Альтшуля:



где - относительное открытие затвора.

а) центральный затвор открыт на :









б) центральный затвор открыт на :









в) центральный затвор открыт полностью на :



2.4.2 определение раздельной глубины:

Раздельную глубину прыжка в плоских условиях определяют как сопряженную со сжатой:



где - сжатая глубина (первая сопряженная глубина гидравлического прыжка);

- число Фруда для первой сопряженной глубины;

- скорость потока при первой сопряженной глубине;

- коэффициент кинетической энергии (коэф. Кориолиса).

Сжатая глубина за водосливом определяем по формуле:



где - расход через прямоугольное отверстие шириной ;

- коэффициент скорости;

- полная энергия потока в верхнем бьефе;

- глубина воды в верхнем бьефе.

Т.к. скорость подхода , то

Расчет сжатой глубины проводим с помощью последовательных приближений. В первом приближении принимаем . Приближения необходимо проводить, пока значения двух приближений не сойдутся с точностью .

а) центральный затвор открыт на , :

1-е приближение:



3-е приближение:









б) центральный затвор открыт на , :

1-е приближение:



2-е приближение:



3-е приближение:









в) центральный затвор открыт на , :

1-е приближение:



2-е приближение:



3-е приближение:








2.4.3 определение раздельных глубин с учетом пространственного растекания:
Вторую сопряженную глубину в пространственных условиях определим путем умножения на коэффициент :



Значение коэффициента можно вычислить по формуле:



где - ширина водосливного фронта с наибольшим удельным расходом;

- общая ширина потока за водосливом;

- коэффициент неравномерности распределения удельного расхода по ширине водосливного фронта.

Значение коэффициента берется в зависимости от соотношения B/b = 112/16=7>6 kпр = 0.62

1-й случай:





2-й случай:



3-й случай:





4-й случай:



5-й случай:



6-й случай:



2.4.4 определение бытовых глубин:

Бытовая глубина в нижнем бьефе устанавливается в зависимости от расхода, проходящего через гидроузел . При определении условий сопряжения бьефов мы рассматриваем момент времени сразу после открытия затвора, когда бытовая глубина соответствует расходу до открытия этого затвора. В курсовом проекте считаем, что работают все агрегаты ГЭС, а расход через ГЭС не изменяется.

Расходы через гидроузел для рассматриваемых расчетных случаев определяем следующим образом:

1-й случай:





2-й случай:





3-й случай:





4-й случай:





5-й случай:





6-й случай:






Результаты вычислений сводим в таблицу:

Случай

1

2

3

4

5

6



1600.00

2429.87

2568.18

3271.02

3388.17

5198.31



 

6.80

 

9.13

 

13.18



4.213

6.796

5.662

9.132

8.17

13.18



4.30

5.40

5.50

6.20

6.40

7.80



-0.087

1.396

0.162

2.932

1.774

5.384

положение прыжка

надвинут

отогнан

отогнан

отогнан

отогнан

отогнан


2.4.5 выводы о необходимости водобойных устройств:

Конструктивно на водобойной плите устанавливаются гасители для улучшения условий сопряжения бьефов и равномерного распределения удельных расходов за водосливом.

Т.к. в расчетных случаях прыжок оказался не затопленным, то, следовательно, необходимо водобойное устройство.

, следовательно, необходим водобойный колодец.

В первом приближении глубину колодца определяем по формуле:



где - коэф. запаса на затопление гидравлического прыжка;

- коэф. учета действия гасителей на раздельную глубину
2.5 Расчет пропуска поверочного расхода
2.5.1 определение форсированного подпорного уровня водохранилища:

Расчет водослива ведется на расход:



1-е приближение: , ,



2-е приближение:







Принимаем ;

Отметку гребня плотины принимаем:

2.5.2 определение положения гидравлического прыжка (условия сопряжения бьефов):



1-е приближение:



2-е приближение:



3-е приближение:









Определяем затоплен ли прыжок:

, следовательно, колодец принимаем глубиной 3.6 метра.
2.6 Расчет гасителей энергии

Гасители энергии в виде установленных на водобое препятствий оказывают на поток реактивное, диссипативное и распределительное воздействия.

В результате реактивного действия гасителей происходят уменьшение длины прыжка, что позволяет уменьшить длину водобоя и избежать устройства водобойного колодца или уменьшить его глубину. Диссипативная роль гасителей характеризуется интенсивностью рассеивания той части энергии, которая сосредоточена в турбулентных вихрях. Распределительная роль гасителей выражается в переформировании эпюры осредненных скоростей потока в плане и по глубине, выравнивании удельных расходов по ширине русла.

Определим число Фруда:



Расстояние до гасителей:



Длину гидравлического прыжка определим двумя способами:

- по формуле Чертоусова:



- по формуле Войнич-Сяноженского:



Принимаем длину гидравлического прыжка .

Строим график прыжковой функции для одного пролета и по нему находим раздельную глубину с учетом гасителей (коэф. гас. = 0.8).



где - параметр кинетичности потока;

- площадь поперечного сечения.


h

Q

w

П(h)




h

Q

w

П(h)

1

557.14

16

2183.389




9

557.14

144

889.7098

1.5

557.14

24

1468.259




9.5

557.14

152

950.9883

2

557.14

32

1119.694




10

557.14

160

1017.539

2.5

557.14

40

920.1554




10.5

557.14

168

1089.18

3

557.14

48

797.1295




11

557.14

176

1165.763

3.5

557.14

56

719.5396




11.5

557.14

184

1247.164

4

557.14

64

671.8471




12

557.14

192

1333.282

4.5

557.14

72

645.4197




12.5

557.14

200

1424.031

5

557.14

80

635.0777




13

557.14

208

1519.338

5.5

557.14

88

637.5252




13.5

557.14

216

1619.14

6

557.14

96

650.5648




14

557.14

224

1723.385

6.5

557.14

104

672.6752




14.5

557.14

232

1832.027

7

557.14

112

702.7698
















7.5

557.14

120

740.0518
















8

557.14

128

783.9236
















8.5

557.14

136

833.9281




Пгасразд=

568,6




h=7





Определим реакцию гасителей по графику прыжковой функции при :



Из формулы:



где - коэф. лобового сопротивления принимаем равным примерно 0,5.

Определим площадь миделевого сечения:

м

Устанавливаем 7 гасителей высотой 3.1м длиной 5 каждый, в два ряда с расстоянием 3.1м между рядами перед каждым водосливным.


Принимаем .
2.7 Расчет водобойного колодца

Требуется определить глубину колодца . Расчет ведем для самого опасного расчетного случая (в данной курсовой работе – для шестого). Глубина колодца определяется из условия затопления гидравлического прыжка с учетом действия гасителей и необходимого запаса:


Т.к. при заглублении водобойной плиты условия сопряжения бьефов изменяются, то глубину водобойного колодца определяем с помощью приближений.

1-е приближение:



2-е приближение:















Принимаем глубину колодца , относительная отметка дна колодца 158.4м.
2.8 Расчет устойчивости водобойной плиты

Водобойная плита предназначена для крепления русла в зоне гидравлического прыжка. Ее выполняют в виде массивной армированной бетонной плиты. Плита водобоя под действующими на нее силами может всплыть, опрокинуться в сторону нижнего бьефа или сдвинуться.

Конструирование и расчеты водобойной плиты проводим для случая, когда наблюдается гидравлический прыжок максимальной высоты (расчетный случай 6 с учетом колодца).

2.8.1 назначение размеров водобойной плиты:

Длину водобойной плиты назначается в зависимости от длины гидравлического прыжка:



с учетом уступа принимаем:

Толщину водобойной плиты назначаем в размере:



2.8.2 определение нагрузок, действующих на водобойную плиту:

Водобойная плита, находящаяся в зоне гидравлического прыжка, испытывает большие гидромеханические нагрузки. Они вызывают дефицит давления, под действием которого плита может потерять устойчивость. Гидродинамическая нагрузка раскладывается на осредненную (по времени)нагрузку и пульсационную составляющую : . Помимо этого на водобойную плиту может действовать остаточное (после дренажа плотины) фильтрационное противодавление.


Определим вес водобойной плиты (с учетом взвешивающего действия воды):



где , - соответственно удельные веса бетона и воды.

В курсовом проекте принимаем распределение пульсационной составляющей гидродинамического давления равномерным, тогда значение силы вертикальной пульсационной составляющей гидродинамического давления равно:





- критическая глубина потока на водобойной плите.

Горизонтальная составляющая пульсационной силы:



При определении фильтрационного противодавления условно принимаем, что его максимальное значение составляет от напора на сооружение:



Принимаем также, что максимальное значение фильтрационного противодавления действует на плиту до последнего ряда дренажных колодцев:



Сила фильтрационного противодавления находиться по формуле:



Дефицит давления находиться по формуле:





В курсовом проекте проводим проверку устойчивости водобойной плиты:

1. на всплытие;

2. на поворот;

3. на сдвиг.

Условие устойчивости плиты принимаем в виде:



где - действительное значение коэффициента устойчивости плиты;

- нормативное значение коэффициента устойчивости плиты.
2.8.3 расчет устойчивости водобойной плиты на всплытие:

Всплытия плиты не произойдет, если:



- условие выполняется.


2.8.4 расчет устойчивости водобойной плиты на поворот:
Расчет ведем в предположении, что поворот может произойти относительно нижнего ребра низовой грани плиты.

Условие устойчивости на поворот записывается следующим образом:



где





- момент от веса водобойной плиты (удерживающий момент).





Условие не выполняется, следовательно для обеспечения устойчивости необходимо создать в передней части плиты зуб, толщиной 5.5 метров и длиной 5 метров.

2.8.5 расчет устойчивости водобойной плиты на сдвиг:

Расчет устойчивости на сдвиг ведется по поверхности подстилающего грунта:



- коэффициент трения плиты о подстилающий грунт.

- условие выполняется.


2.9 Конструирование рисбермы и концевого крепления

За водобоем располагаются рисберма и концевое крепление.

Рисберма – это участок крепления русла расположенный за водобоем. На рисберме происходит уменьшение осредненных скоростей и пульсации скоростей. Рисберму выполняют в виде крепления, постепенно облегчающегося по течению. Обычно крепление устраивают из бетонных плит. Толщину плиты в начале рисбермы принимаем равной двум третям от толщины водобоя. Следующая плита рисбермы будет составлять две третьих от предыдущей.

Концевой участок рисбермы заглубляют с уклоном , в результате чего образуется ковш, предназначенный для защиты рисбермы от подмыва. За счет отсыпки в ковш камня уменьшаем его глубину.

2.9.1 определение длины крепления русла:

Бетонное крепление русла необходимо на длине прыжка и на длине послепрыжкового участка. В пределах послепрыжкового участка происходит переход скоростей и давления от величин, соответствующих концу гидравлического прыжка, до величин, соответствующих бытовым условиям.

В курсовом проекте рассчитываем длину крепления русла по формуле:



2.9.1 определение ямы размыва:

Глубина воды в яме размыва вычисляем по методике Б.И. Студеничникова:



где - коэффициент неравномерности распределения удельного расхода;
- коэффициент неразмывающей способности потока.

2.9.3 конструирование рисбермы:

Спроектируем плиты горизонтального участка рисбермы:

первая плита: ; ;

вторая плита: ; ;

третья плита: ; .

Горизонтальный участок рисбермы равен:



Заложение верхового откоса ковша принимаем . Следовательно, длину наклонного участка рисбермы принимаем равной .

Спроектируем плиты наклонного участка рисбермы:

первая плита: ; ;

вторая плита: ; ;

Последующие плиты принимаем из минимальных требований по длине и толщине: ; . Их количество - штук.

Последнюю плиту заглубляем в водоупор с зубом.
  1   2


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации