МГСУ Кафедра речных ГС Записка к курсовому проекту по речным ГС: “Гидроузел с грунтовой плотиной” Выполнил Факультет: ГСС Курс: IV Группа: Проверил: Толстиков В. В. Введение. В данном курсовом проекте будет проведено проектирование (в рамках, оговоренных в задании) грунтовой плотины, водосбросов, водобойного колодца и водовыпуска (байпаса). В качестве исходных данных выданы характеристики грунтов основания, расчётные уровни воды в проектируемом водохранилище, расчётные расходы воды в реке на строительный и эксплуатационный периоды, длина разгона волны, скорость ветра, а также физико-технические данные о грунтах ближайших к створу проектируемой плотины карьеров. Глава 1. 1.1 Выбор типа и профиля грунтовой плотины. Выбор типа плотины зависит от многих факторов. В связи с тем, что в рамках курсового проекта не проводится технико-экономическое сопоставление вариантов гидроузла с учётом эффекта от сроков ввода сооружения в эксплуатацию, буду руководствоваться рекомендациями учебника для ВУЗов “ Гидротехнические сооружения” под редакцией коллектива авторов во главе с Л. Н. Рассказовым. На скальном основании, каким является сиенит, возможно возведение каменноземляной и каменной плотин. По данным о грунтах добываемых в ближайших карьерах (горная масса и суглинок) можно сделать вывод о возможности возведения каменно- земляной плотины с упорными призмами из горной массы. Выбор профиля плотины сводится к выбору заложений откосов. В соответствии с рекомендациями учебника принимаю для горной массы заложения обоих откосов m=1.5 . 1.2 Определение отметки гребня плотины и расчёт крепления верхового откоса. Дано: L 9км 9000 м расчётная длина разгона волны, Vw 16 м расчётная скорость ветра, с t 6ч 21600с продолжительность расчётного шторма, класс капитальности сооружения – I, H НПУ ДНО 320 264 56 м глубина водоёма. 1) Определение отметки гребня плотины гр. УВБ hн h a, где гр. отметка гребня, УВБ расчётный уровень верхнего бьефа (НПУ), hн высота наката волны, h высота нагона воды, a запас. Для определения параметров волн буду использовать СНиП 2.06.04-82* (далее буду называть просто “СНиП”). Для этого необходимо вычислить следующие соотношения: gt 9,807 21600 13237 Vw 16 gL 9,807 9000 344, 7 Vw2 162 gL 9,807 9000 344, 7 Vw2 162 После этого по графикам на странице 36 СНиПа определяю соотношения: gt gh gT 2 0,1; 4.6 Vw Vw Vw gL gh gT 2 0, 032; 2.4 2 Vw Vw Vw из этих двух пар соотношений выбираю меньшую и нахожу искомые: h 0.84 м, T 3,9с - средние высота и период волны. Теперь определяю высоту волны расчётной для I класса обеспеченности, при этом коэффициент k p % определяю по графику на рис. 2, стр. 37 СНиП: hp % k p % h, где hp % высота волны расчётной обеспеченности, k p % коэффициент, зависящий от класса капитальности сооружения. h1% 2,1 0,84 1, 76 м . Для высот расчётной обеспеченности меньших, чем 2м рекомендуется каменное крепление откоса. Определяю величину наката волны. hН 1% k Г kC k k П h1% , где hН 1% высота наката волны k Г коэффициент, определяющий высоту наката в долях от высоты наката регулярной волны на гладкую поверхность, k , k П , kС коэффициенты, учитывающие соответственно влияние относительной шероховатости, водопроницаемости покрытия откоса и заложения откоса. В соответствии с рекомендациями учебника и поправками из конспекта лекций, принимаю: k Г 2,5 k 0,5 k П 0, 7 kС 1,3 . hН 1% 2,5 0,5 0, 7 1,3 1, 76 2, 0 м . Определяю вес камня, устойчивого на откосе под действием волн. Q 10 к (h1% )3 к 1 в 3 1 m3 h , где Q вес камня, устойчивого на откосе, коэффициент, учитывающий тип крепления откоса, к удельный вес камня, в удельный вес воды. Принимаю: 0, 025 к 26, 6 кН м3 Q 0, 025 10 26, 6 (1, 76)3 26, 6 1 10 Dш 3 6Q К 3 1 1, 43 23, 7 6,88кН 0,84 , где Dш диаметр камня, приведённого к шару Q вес камня, устойчивого на откосе, К удельный вес камня. Dш 3 6 6,88 0,8 м . 3,14 26, 6 Камни такого размера в составе горной массы присутствуют, что видно по кривой её гранулометрического состава, следовательно, окончательно принимаю крепление откоса каменным. Определяю величину нагона воды. h k 2 L , где gH h величина нагона воды скорость ветра k коэффициент h 1,74 106 162 9000 0,007 м. 9,807 56 В результате, отметка гребня плотины равна: гр. 320, 0 2, 0 0, 007 0,973 323, 0 м. 1.3 Прогноз физико-механических свойств грунтов тела плотины При проектировании грунтовых плотин основное внимание уделяют рациональному размещению того или иного грунта в конструкции для наиболее эффективного использования его свойства и получения возможности регулировать свойства грунтов, предназначенных к укладке в тело плотины. В грунтовых плотинах свойства грунта можно регулировать, изменяя гранулометрический состав, влажность и метод укладки. Дано: гм 26,6 удельный вес частиц горной массы сугл 27, 0 удельный вес частиц суглинка Вычисления: I) Горная масса 1) пред. рыхл. сух.min A P K 0,05 ч 26,5 , где пред. рыхл. , сух.min удельный вес грунта в предельно рыхлом состоянии A эмпирический коэффициент, P процент (доля) содержания достоверно определённых фракций в гранулометрическом составе грунта, K коэффициент, характеризующий гранулометрический состав грунта. K n qi d D2 D1 lg 1i , где D i 1 d 2i d1i d 2i P lg 2 D1 D2 максимальная достоверно определённая крупность частиц, D1 минимальная достоверно определённая крупность частиц, q величина i-того аппроксимированного промежутка в долях или процентах, d2i иd1i - крупности частиц на границах аппроксимированного промежутка. K 700 200 5 65 10 150 65 250 10 700 lg lg lg lg 1, 2 20 150 65 65 250 150 150 700 250 250 700 65 20 90 lg 200 пред. рыхл. сух. мин. 90 18, 6 1, 2 0,05 26, 6 кН 14,8 3 , 26,5 м 2) По сух.max с помощью графика в учебнике определяю сух.max 20,8 кН . м3 3) Определяю коэффициенты пористости max ч сух.min сух.min максимальный коэффициент пористости грунта, min ч сух.max сух.max минимальный коэффициент пористости грунта, max I D max min - коэффициент пористости грунта; I D коэффициент относительной плотности (обычно принимают равным 0,9). max 26,6 14,8 14,8 0,80 min 26,6 20,8 20,8 0, 28 0,8 0,9 0,8 0, 28 0,3 4) сух. сух. ч удельный вес грунта, которого нужно достичь при укладке 1 26, 6 кН 20,5 3 1 0,3 м 5) нас. сух. n воды , где нас. удельный вес грунта в предельно насыщенном водой состоянии, n коэффициент пористости, ( n n 1 ). 0,3 0, 25 0,3 1 нас. 20,5 0, 25 10 23, 0 6) kф 4a 3 кН м3 d 60 n3 g d172 , где 2 d10 1 n 1000 kф коэффициент фильтрации грунта, a коэффициент кинематическая вязкость воды kф 2 9,807 4 0, 4 3 220 0, 253 100 103 4,36 м с 2 5 0,15 10 65 1 0, 25 1000 7) 0 a I D формула Рассказова для определения 0 , здесь K a, k эмпирические параметры, угол сдвига при I D 0 , I D коэффициент относительной плотности. 0 42 10 0,9 0,6 51, 40 II) Суглинок. В теле плотины глинистый грунт чаще всего используют для создания противофильтрационных устройств в виде, например, ядра. Глинистый грунт в тело плотины стремятся укладывать при оптимальной влажности. Под оптимальной понимают влажность, при которой при выбранном методе уплотнения достигается максимальная плотность. 1) Wопт Wp 1 3% , где Wопт оптимальная влажностьW p влажность на пределе раскатывания Wопт 16% 2% 14% 2) сух ч 0 1 V , где 0 W расч ч V объём защемлённого в порах грунта воздуха, 0 удельный вес воды. сух 2,7 1,0 1 0,04 т кН 1,88 3 18,8 3 1,0 0,14 2,7 м м 27, 0 1 0, 44 18,8 3) В зависимости от коэффициента пористости по таблице на странице 145 учебника нужно выбрать параметры и с - угол внутреннего трения и удельное сцепление, но т.к. для расчётного коэффициента пористости данные отсутствуют, в соответствии с данными конспекта принимаю: 230 , с 3 т м2 . 4) kф 4 1011 exp т 1, 06 0,17 т 0, 048 , - эмпирическая формула В. Н. Жиленкова ч W , где 0 т WТ влажность на пределе текучести. т 1, 06 2, 7 0,3 0,86 1, 0 kф 4 1011 exp 0, 44 3,5 109 см с 0,17 0,86 0, 048 1.4 Расчёт фильтрации. - сводится к расчёту фильтрационного расхода, приходящегося на погонный метр ядра грунтовой плотины. Для этого строится гидродинамическая сетка в ядре (см. миллиметровку). После построения сетки строится эпюра градиентов на выходной грани ядра. Площадь этой эпюры, умноженная на коэффициент фильтрации, и есть удельный фильтрационный расход. Т. к. kф.пл. 50 , то расчётной схемой будет однородная плотина с тонким ядром. kф. ядра Дано: FI D 88,82 м площадь эпюры градиентов (ед.изм. –метры, т.к. [м*1=м]), в 3, 0 м ширина ядра по верху, mя 0, 25 заложение откосов ядра плотины, kф. ядра 3,5 109 см - коэффициент фильтрации ядра плотины. с Формулы: h0 0, 65 в 1 mя высота падения свободной поверхности фильтрационного потока, qф kф FI D удельный фильтрационный расход. Решение: h0 0, 65 3 2, 6 м 1 0, 25 qф 3,5 109 8882 3,1 10 5 см 3 с 3,1 10 11 м 3 с 1.5 Подбор зернового состава переходных зон. Заключается в построении кривых гранулометрического состава слоёв переходных зон и выяснении количества таковых. 1) Подбираю d 90I из условия недопущения контактного выпора: d90I 2 Cp kн в I max 1 n , где d 90I крупность частиц 90%-ной обеспеченности I-го слоя C p сцепление на разрыв, определяется экспериментально, принимаю C p 5кПа kн 5 для I-го класса сооружений, I max максимальный градиент фильтрационного потока, берётся с эпюры градиентов из расчёта фильтрации, I max 3,15 , n коэффициент, выражающий размер пор в зависимости от размера частиц, берётся по графику, n 0,155 , d90I 25 0, 06 м . 5 10 3,15 1 0,155 2) Определяю зерновой состав переходных зон из условия возможности кольматации трещин: d 60I d 70агр , где n 60 d 60I крупность частиц 60%-ной обеспеченности I-го слоя, d 70агр крупность частиц 70%-ной обеспеченности ( d 70агр d10агр , ) 9, 2 для WТ 30% d60I 9, 2 0, 028 2 3,32 мм 0,155 1, 0 d10I d 60I 10 0,33 мм Из 2-х кривых, одна из которых проведена через d 90I параллельно второй, проведённой через d 60I и d10I , кривой гранулометрического состава назначаю ту, которая находится левее, т. е. 2-ю. 3) По кривой I-го слоя определяю кривую II-го слоя: d10II d 60I n 21, 4 мм d 60II d10I 10 214 мм Кривая II-го слоя находится правее кривой I-го => II-й слой- последний. 1.6 Расчёт устойчивости откосов. Этот расчёт производится в предположении, что грунтовый массив обрушения в теле грунтовой плотины ограничивается круглоцилиндрической поверхностью и разделён на отсеки обрушения вертикальными плоскостями, а также в предположении плоской деформации на участке плотины толщиной 1 м. Условием устойчивости откоса является то, что коэффициент надёжности (коэффициент устойчивости), равный отношению суммы моментов реактивных сил к сумме моментов активных сил, будет превосходить рекомендуемую нормами величину, составляющую 1,25. При этом речь идёт о коэффициенте для наиболее опасной поверхности из множества рассматриваемых, т. е. наименьший коэффициент устойчивости. Таким образом расчёт сводится к подсчёту коэффициента устойчивости: 1) с помощью ЭВМ 2) вручную 1) В результате введения данных о плотине программа, сравнив большое количество коэффициентов устойчивости откоса по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения разных радиусов и с разными центрами, выдаёт координаты центра поверхности скольжения и её радиус для наименьшего коэффициента устойчивости (распечатка результатов прилагается). 2) Целью ручного счёта является проверка результатов счёта по определённой машиной поверхности по формуле: n k уст G W cos tg i 1 взв i i i ci li n G sin i i 1 , где i k уст коэффициент устойчивости откоса, Gi вес погонного метра i-го отсека, Wвзв взвешивающее противодавление, i см. рис. ci i-е удельное сцепление i i-й угол внутреннего трения li длина подошвы i-го отсека Результаты ручного счёта удобно представить в табличной форме: 1 2 3 S G 24,75 152,5 217,5 i ci cos sin 2,00 49,5 67 0 2,05 312,6 55 0 5,0 23 3 0,391 0,921 38,21 45,56 31,3 40 0 0,574 0,819 150,46 256,09 2,05 445,9 45 0 44,6 37 0 0,707 0,707 237,58 315,28 W взв. (G-W взв.)/b Числ. Знамен. 4 5 6 7 8 9 10 11 12 245 2,05 502,3 35,5 245 2,05 0 50,2 36 0 0,814 0,581 297,08 291,66 502,3 28 0 50,2 36 0 0,883 0,469 322,19 235,79 с водой 475,1 20 37,5 43,8 38 0 0,940 0,342 321,27 162,49 с водой 433,1 13 70 36,3 38,5 0 0,974 0,225 281,42 97,43 с водой 330,6 7 90 24,1 42 0 0,993 0,122 215,02 40,29 100 2,30 с водой 230 1 100 13,0 45 0 1,000 0,017 129,98 4,01 124,4 -7 31,5 9,3 0 0 0,993 -0,122 0,00 -15,16 60 1,00 60 -17 0 6,0 0 0 0,956 -0,292 0,00 -17,54 55 1,00 55 -23 0 5,5 0 0 0,921 -0,391 0,00 -21,49 1993,2 1394,4 Kуст = 1,43 Глава 2. Гидравлический расчёт пропуска строительных расходов. 2.1 Схема пропуска строительных расходов. В связи с тем, что основание проектируемого сооружения складывается сиенитом (т.е. основание скальное), то из 2-х видов водосбросов, трубчатого и туннельного, выбираю туннельный водосброс. Так как высота плотины меньше 100 м, максимальный паводковый расход больше 800 м3/с, то по рекомендациям, данным в конспекте лекций, принимаю строительный туннельный водосброс с возможностью его использования в качестве основного в эксплуатационный период. Выбор трассы водосброса проведён на топографическом плане с учётом правила максимального угла поворота (600), и длина его составляет 340 м. Толщина бетонной облицовки тоннеля в данном курсовом проекте не подбирается. Уклон дна туннеля принимаю равной 0,003. 2.2 Расчёт пропуска первого строительного паводка. Если бы не предполагалось использование строительного водосброса в эксплуатационный период, то диаметр туннеля выбирался бы из расчёта пропуска строительного паводка, но т.к. было принято решение о необходимости его дальнейшей (послестроительной) эксплуатации, то после вычисления диаметра туннеля в расчёте пропуска строительного паводка, необходимо проверить возможность пропуска паводка эксплуатационного. Дано: Qстр. 460 м 3 с расчётный расход при строительном паводке, H пер. 19, 7 м высота верховой перемычки, ВБ 282, 7 м , НБ (Qстр ) 270, 2 м , НПУ 320, 0 м , НБ (Qmax ) 274, 0 м Вычисления: Q 2g z ,- формула пропускной способности напорного водосброса, где Q расход, коэффициент расхода, площадь поперечного сечения туннеля, z действующий напор. Принимаю в 1-м приближении 0, 75 . 460 39, 2 м2 , 0,75 2 9,807 12,5 d 39, 2 4 3,14 7,1м Проверим возможность пропуска эксплуатационного паводкового расхода: Q 2g z 1 , где входа поворота длины выхода затв - суммарный коэффициент сопротивления вх 0, 2 - на входе, вых. 1, 0 -на выходе, пов 90 sin - на повороте, где угол поворота, а 8 90 0, 2 0, 001 100 d ,где Rп Rп радиус поворота, d диаметр туннеля, 1 3, 7 2 lg 2 - коэффициент гидравлического трения (формула Прандтля), где экв - относительная шероховатость, где 4 R экв 2 103 м ,- эквивалентная шероховатость R , где смоченный периметр, дл L по длине, 4 R затв на пазах затворов (принимаю паз 1x1м) Вычисления: R 1, 78 м , 2 103 2,8 104 , 4 1,78 1 3, 7 2 lg 2,8 104 2 0, 015 , 7,1 8 90 0, 2 0,001 100 0,015 0,12 , 25 пов 0,12 sin 55 0, 098 , дл 0, 015 340 0, 72 , 4 1, 78 затв 0, 02 1 0,7 , 0,098 0, 2 0,72 0,02 1,0 Q 2 0, 7 39, 2 2 9,807 46 824, 2 м 2 с 1200 м 2 с - следовательно туннель, подобранный по расчёту пропуска строительного паводка паводок эксплуатационный не пропустит. Принимаю 2 туннеля диаметром 6 м. Проверим возможность пропуска эксплуатационного паводкового расхода: R 3, 0 м , 2 103 1, 7 104 , 4 3, 0 1 3, 7 2 lg 1, 7 104 2 0, 012 , 8 90 0, 2 0,001 100 0,012 6 0,117 , 20 пов 0,117 sin 55 0, 096 , дл 0, 012 340 0,34 , 4 3, 0 затв 0, 02 1 0,78 , 0,34 0,096 0, 2 0,02 1,0 Q 0, 78 56,52 2 9,807 46 1324, 2 м 2 с 1200 м 2 с Теперь, задавшись диаметром туннелей, можно решить обратную задачу, т.е. найти высоту перемычки. Q 2g z , 2 1 Q z , 2g R 3, 0 м , 0,35 103 2,92 105 , 4 3,0 1 3, 7 2 lg 2,92 105 2 0, 0096 , 8 90 0, 2 0,001 100 0,0096 6 0,109 , 20 пов 0,109 sin 55 0, 09 , дл 0, 0096 340 0, 272 , 4 3, 0 затв 0, 02 1 0,8 , 0, 272 0,09 0, 2 0,02 1,0 2 перемычки НБ z 1м 270, 2 5,3 1 276,5 м z hпер 276,5 264 12,5 м 1 460 5,3 м , 2 9,805 0,8 56,52 2.4 Расчёт пропуска расхода перекрытия. Задача расчёта – подобрать уклон дна водосброса из условия Z Z пред 2 м Z Пропуск расхода перекрытия буду осуществлять через 1 туннель. 1) Т.к. в расчёте движение потока принимается равномерным, то глубина потока h0 м.б. выражена из формулы расхода при равномерном движении жидкости Q c R i , c R Q . Выразив , c, R через h0 и из полученного выражения h0 i саму через себя, я получил формулу: Q h0 i n d h0 d 2 h0 d Q Qпер 42, 0 м 2 3 , 3 с В 1-м приближении принимаю h0 2 м , 0, 018 42 h0 0, 003 62 6 22 6 2 3 2 м => h0 2, 0 м . 2) Z Zвх i L Zвых перепад уровней: - Zвх - на входе, - i L - в туннеле, - Z вых - на выходе (принимаю равным нулю, что даёт дополнительный запас). Z вх т2 вб2 , где 2 g 2 2 g 0,85 коэффициент скорости, т вб Q т Q вб - скорость течения в водосбросе при глубине h0 , - скорость подхода потока. вб 75, 4 м 2 берётся с геологического разреза, т h0 d 2 6 12 м 2 т 42 3,5 м с 12 вб 42 0,56 м с 75, 4 Zвх 3,52 0,562 0,85 м 2 9,807 0,852 2 9,807 Z 0,85 0, 003 340 1,87 м 2 м Глава3. Паводковый водосброс и водовыпуск. В качестве эксплуатационного водосброса был принят строительный. 3.1 Расчёт сопряжения бьефов. Целью данного расчёта является вычисление глубины водобойного колодца, предназначенного для затопления гидравлического прыжка за водосбросом. Оный колодец будет расширяющимся, т.е. его боковые стенки будут максимально повторять очертания расходящегося после водосброса потока. hсж 1) Определение угла расширения потока: ctg 0,3 Frсж 0,54 , где угол естественного расширения потока, Frсж сж 2 сж g hсж , где Q1т Q1т расход, проходящий через 1 туннель. сж 1200 / 2 21, 2 м , 2 с 3,14 3 Frсж 21, 22 7,64 , 9,807 6,0 ctg 0,3 7, 64 0,54 2,832 , 190 Принимаю угол расширения колодца 150 2) Определяю радиус, соответствующий 1-й сопряжённой глубине: r1 b 2 sin 6 22,9 м 2 sin150 2 3) Нахожу длину прыжка в расширяющемся русле: Lпр f h 1 0, 052 f сж r1 f 10,3 Frсж 1 f 10,3 7, 64 1 Lпр hсж , где 0,81 0,81 16,31 16,31 6 1 0, 052 16,31 22,9 6 80,1м 4) Определяю радиус, соответствующий 2-й сопряжённой глубине: r2 r1 Lпр 22,9 80,1 103, 0 м 5) Нахожу значение прыжковой функции для 1-й сопряжённой глубины: Q 1 2 П hсж hсж r1 , где 1, 0 g hсж r1 2 2 1 600 1 П hсж 62 22,9 4776, 4 м3 9,807 0, 2617 6 22,91 6) Определяю 2-ю сопряжённую глубину в расширенном русле: П hсж П hразд 2 2 2 hсж hразд hсж hразд Q 1 2 П hразд hсж r2 Lпр g hсж r2 3 Используя программу Microsoft Excel, методом последовательных приближений получаю, что П 8,972 4776,85 м3 ,т.е. hразд 9, 0 м . 2 Q 3 1 600 hкр 3 10,1м g r1 9,807 0, 262 22,9 2 7) Нахожу глубину водобойного колодца в расширяющемся русле: d кол k з k гас hразд hнб dкол 1, 25 0,8 8,97 10 1,03 м => водобойный колодец не нужен. 3.1 Расчёт водовыпуска. Для того чтобы пропускать малые расходы, например расход при спуске воды из водохранилища, необходимо открывать затвор на очень небольшую величину, порядка нескольких см. Поэтому помимо основного водосброса строятся дополнительные бетонные или металлические водовыпуски (водоспуски) малого диаметра. Схема представлена на рисунке: Байпас Туннель Затвор Водовыпуск рассчитывается на пропуск расхода полезного попуска Q 12 м Q 2g z , z УСВ НБ (Qпоп ) 35,9 м 1-е приближение: 0, 75 12 0, 6 м2 0, 75 2 9,807 35,9 d 0, 6 4 0,87 м 3,14 2-е приближение: 3 с . 1 R 0, 22 м , 2 103 2, 27 104 , 4 0, 22 1 3, 7 2 lg 2, 27 104 2 0, 014 , 0,87 8 90 0, 2 0,001 100 0,014 0,116 , 3 пов 0,116 sin 50 0, 09 , дл 0, 014 27 0, 42 , 4 0, 22 затв 0, 02 1 0,75 , 0,09 2 0, 2 0, 42 0,02 1,0 12 0, 6 м2 0, 75 2 9,807 35,9 d 0, 6 4 0,87 м 3,14 Заключение В результате проделанных вычислений была спроектированна грунтовая каменноземляная плотина с упорными призмами из горной массы и ядром из суглинка: С заложениями верхового и низового откосов 1,5 С коэффициентом устойчивости откоса 1,31 Высотой 59 м С фильтрационном расходом в ядре плотины qф 3,11011 м3 с С водосбросом в виде двух туннелей диаметром 6 м. С высотой перемычки в строительный период H пер 12,5 м Без водобойного колодца С водовыпуском диаметром 0,87 м С шириной по гребню 12 м С шириной подошвы 192 м С длиной створа 422 м.
