Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Глава 1

 

Курсовая работа охватывает дисциплины: гидротехнические сооружения, специальные подземные сооружения, механика грунтов, инженерная гидравлика.

Цель и задачи работы:

Тема данной работы - головной высоконапорный гидроузел на горной реке, сооружаемый для подачи воды в деривационную ГЭС (вопросы гидроэнергетики здесь не рассматриваются). Основными сооружениями гидроузла являются: каменно-земляная плотина на скальном основании, отводящий (строительный) туннель и береговой эксплуатационный водосброс (туннельного или открытого типа). Студент должен разработать рациональную компоновку гидроузла на основе заданных параметров водохранилища, гидрологических и геологических данных; с учетом прогноза геотехнических характеристик грунтовых материалов разработать рациональную конструкцию каменно-земляной плотины, выполнить необходимые суффозионно-фильтрационные и статические расчеты плотины, запроектировать основные элементы ее конструкции с учетом геотехнических характеристик грунтов плотины и основания, а также разработать схему пропуска расходов реки во время строительства и эксплуатации гидроузла, выполнить требуемые гидравлические расчеты и запроектировать водосбросные сооружения гидроузла.

Руководитель работы: проф., д. т. н. Ляпичев Ю.П.

Консультанты по разделам:

Каменно-земляная плотина - проф., д. т. н. Ляпичев Ю.П.

Водосбросные сооружения - проф., д. т. н. Ляпичев Ю.П.

II. Исходные данные для проектирования (задание 11)

а) Топографические данные:

1. План места строительства гидроузла и геологический разрез по его створу /Приложение I/.

б) Гидрологические данные:

Максимальные расчетные расходы реки: строительный расход: Q_10% = 400 м³/сек, эксплуатационный расход; Q_1% = 1200 м³/сек.

2. Кривая связи расходов и уровней воды в створе гидроузла

 

Расходы воды, м3/сек	0	100	200	500	800	1200
Уровни НБ, м	87,0	91,0	91,8	93,0	93,7	94,0

 

3. Отметка минимального уровня воды НБ: 91,0 м

4. Отметка максимального уровня воды НБ: 94,0 м

5. Расчетная скорость ветра: 28,0 м/сек

6. Максимальная сейсмичность района строительства: 8 баллов

7. Длина водохранилища по направлению господствующих ветров: 3км

в) Задаваемые параметры гидроузла:

1. Класс гидроузла: II

2. Состав основных сооружений: (плотина, водосбросы)

3. Отметка нормального подпорного уровня (НПУ): 145,5 м

4. Отметка уровня мертвого объема: 135,0 м

5. Кривая объемов водохранилища:

 

Отметки уровней воды ВБ, м	87,0	100	120	135	140	145,5
Объем водохранилища, 106м3	0	0,1	0,2	1,8	3,7	8,4

 

г) Геологические условия в створе гидроузла:

1. Физические расчетные характеристики грунтов и скальных пород основания

 

№ пород	Наименование породы и плотность ее частиц, γ ч, т/м3	Степень трещиноватости, (модуль, Мт)	Степень выветрелости (коэфф. - т, Квс)	Удельное водопоглощение, q, л/мин на 1п. м.	Коэффициент фильтрации, Кф, м/сут
1	известняки (2,72)	10	0,75	4,0	-
2	суглинки (2,77)	-	-	-	0,1
3	крупный песок (2,6)	-	-	-	50

 

2. Механические расчетные характеристики пород основания

 

№ пород	Временное сопротивление сжатию Rс, кгс/см2	Прочность на сдвиг		Модуль деформации Е*103, кгс/см2	Коэффициент Пуассона, ν	Коэффициент крепости, fкр
		Сцепление С, кгс/см2	Угол внутреннего трения, tg j
1	200	1,5	0,8	50	0,22	7
2	-	1,2	0,5	0,25	0,35	-
3	-	-	0,62	0,5	0,3	-

 

д) Карьерные грунты:

Расчетные характеристики грунтов:

а) физические характеристики:

 

№ грунтов	Плотность частиц, γ ч, т/м3	Пористость, n	Коэфф.-т фильтрации Кф, см/с	Для связных грунтов (дополнительно)
				Каръерная влажность, W к,%	Оптимальная влажность, W опт,%	Максим. плотность сухого грунта, γсух (макс), т/м3	Число пластич-ности, W пл,%	Предел раска-тыва-ния, Wр,%
1	2,7		10-6	8,0	8,5		7,0	18,0
2	2,65		10-1	3,0	-		-	-

 

б) зерновой состав (содержание в % различных фракций крупностью d, мм)

 

№ грунтов и их наименование	<0,005 мм	0,005-0,05 мм	0,05-0,5 мм	0,5-5 мм	5-100 мм	100-500 мм	>500 мм (Dmax, мм)
1 морена	9	25	16	13	37	0	(200 мм)
2 галечник	-	-	5	10	45	30	10 (600)
3 камень

 

Состав работы:

В составе работы студенту необходимо:

1. Определить превышение гребня плотины над НПУ с учетом расчетных параметров волны.

2. Разработать противоволновое крепление верхового откоса крупным камнем

3. Выполнить прогноз геотехнических характеристик каръерных грунтов в плотине.

4. Разработать предварительный профиль каменно-земляной плотины с глинистым ядром с учетом природных условий строительства и геотехнических характеристик грунтов плотины.

Выполнить суффозионно-фильтрационные расчеты глинистого ядра плотины, запроектировать обратные фильтры и переходные зоны плотины.

Выполнить расчеты порового давления воды и осадок в глинистом ядре плотины к концу строительства плотины.

Выполнить на компьютере (программа UST) расчеты статической и сейсмической устойчивости откосов плотины во время эксплуатации.

8. На основе выполненных расчетов уточнить профиль плотины с разбивкой его на зоны грунтов, разработать конструкцию гребня плотины, основных элементов сопряжения глинистого ядра плотины со скальным основанием и береговыми примыканиями.

9. Разработать рациональную конструкцию берегового эксплуатационного водосброса (туннельного или открытого) и отводящего (строительного) туннеля с учетом возможности их совмещения.

10. Выполнить гидравлические расчеты эксплуатационного и строительного водосбросов, определив размеры сечений входного, транзитного и концевого участков, режим сопряжения бьефов с учетом устройств нижнего бьефа по гашению энергии потока;

11. Разместить водосбросы и грунтовую плотину на генплане с учетом топографических, гидрологических и геологических условий, добившись рациональной компоновки гидроузла.

Отчетные материалы:

1. Чертежи в ACAD (3 листа формата А3 или А2)

Лист 1. Генплан гидроузла и геологический разрез по створу с показом всех сооружений.

Лист 2. Грунтовая плотина. Результаты расчетов плотины. Поперечники и детали плотины. Лист 3. Эксплуатационный и строительный водосбросы. Продольный и поперечные разрезы.

Примечание: компоновка чертежей, масштабы и степень детализации сооружений устанавливаются студентом при консультации с преподавателем и утверждаются руководителем.

2. Пояснительная записка в Word (формат А4, 25-30 стр).

Введение. Оценка природных условий и исходных данных.

Глава I. Описание компоновки гидроузла с учетом схемы пропуска строительных и эксплуатационных расходов реки.

Глава 2. Каменно-земляная плотина:

1. Расчеты параметров волны и превышения гребня плотины над НПУ.

2. Расчет противоволнового крепления верхового откоса крупным камнем

3. Прогноз геотехнических характеристик грунтовых материалов в плотине.

4. Предварительный профиль каменно-земляной плотины с глинистым ядром.

5. Расчеты фильтрации и выходных градиентов фильтрации в глинистом ядре.

6. Расчеты (подбор) обратных фильтров и переходных зон плотины.

7. Расчеты порового давления воды (закрытая и открытая схемы) и осадок в глинистом ядре к концу строительства плотины.

8. Расчеты на компьютере (программа UST) статической и сейсмической устойчивости откосов плотины во время эксплуатации.

Глава 3. Водосбросные сооружения:

1. Гидравлические расчеты отводящего туннеля.

2. Гидравлические расчеты эксплуатационного водосброса.

3. Расчет режима сопряжения бьефов с учетом устройств НБ по гашению потока.

Список использованной литературы.

Примечание:

Графические материалы, формулы и таблицы, используемые в расчетах или получаемые в результате расчетов, проводятся в пояснительной записке со ссылкой на источники.

В начале записки прилагается задание (план местности, геологический разрез и др.).

Глава 2. Вариант гидроузла с каменно-земляной плотиной

 

Расчет устойчивости откосов

 

Расчет был произведен с помощью программа UST.

1. Основные характеристики программы UST

Программа UST предназначена для нахождения коэффициента запаса откосов по КЦПС. Большим преимуществом UST по сравнению с другими подобными программами является то, что она требует малого времени машинного счета, что обеспечивает возможность эффективно увеличить количество граничных линий для различных грунтов и вариантов кругов скольжения. Эта программа, в частности, полезна для тех, кто имеет небольшой опыт в расчетах устойчивости. С ее помощью может быть исследована большая зона и получен минимальный коэффициент запаса. Основные особенности этой программы формулируются следующим образом:

1. Могут рассматриваться откосы любой конфигурации при наличии большого числа различных слоев грунта (до 25).

2. Фильтрация может быть учтена как введением пьезометрической поверхности, так и коэффициентом порового давления. Можно одновременно рассматривать несколько различных случаев фильтрации.

3. Могут быть вычислены коэффициенты запаса как статической, так и сейсмической устойчивости откосов.

4. Число точек описывающих геометрию области - до 125.

5. Число отсеков обрушения шириной "b" - до 200.

6. Максимальное число центров вращения - до 400.

7. Допускается большая гибкость при назначении радиусов. Для проверяемых зон можно устанавливать один или большее число радиусов и указывать количество кругов для каждой зоны.

8. Могут быть вычислены коэффициенты запаса для ряда отдельных центров или их групп, которые образуют сетку. Путем выбора одного или большего числа вероятных центров может быть задействована процедура поиска для локализации минимального коэффициента запаса.

Расчет по методу Терцаги-ВНИИГ в программе UST

Этот метод применяется для расчета статической и сейсмической устойчивости откосов всех грунтовых сооружений и плотин. При этом расчетная область делится на элементарные отсеки шириной "b" (рис.5.49).

 

Рис. 2. Cхема к определению коэффициента запаса устойчивости откоса по кругло-цилиндрической поверхности скольжения: 1 - поле центров кругов скольжения; 2 - круги, проведенные с шагом ∆R; 3 - круги, касательные к слоям; 4 - ось элементарных отсеков (столбиков); 5 - нижняя граница расчетной области (поверхность грунта)

 

Намечаются, согласно приведенным ниже указаниям, центры окружностей скольжения, и из каждого центра проводится серия возможных окружностей скольжения. Для каждой окружности скольжения определяется коэффициент статической устойчивости по формуле Терцаги - ВНИИГ:

 

 (1)

 

где  - масса грунта в отдельном отсеке с учетом водонасыщения;

 - величина полного давления поровой воды (т/м²), равная пьезометрическому напору (м), умноженному на плотность воды  (т/м³);

 - ширина элементарного отсека (м);

 - коэффициент трения;  - расчетное сцепление грунта (т/м²);

 - угол (в градусах) между вертикалью и радиусом, проведенным из центра вращения в точку пересечения оси отсека с окружностью скольжения;

 - плотность водонасыщенного грунта (ниже уровня воды) или грунта природной влажности (выше уровня воды) в т/м³;

 - высота отсека, занятая грунтом или водой (м).

В расчете суммирование производится по всей длине кривой скольжения до пересечения ее с поверхностью грунта в правой и левой частях плотины. Расчет можно выполнить при двух вариантах определения давления в поровой воде . В первом основном случае величина  определяют как вертикальное расстояние от любой точки поверхности скольжения до депрессионной кривой (рис.3)

 

Рис.3. Схема определения давления в поровой воде грунта основания и плотины в расчете устойчивости откосов; учет давления воды ВБ и НБ

 

Во втором случае величину  задают в узлах прямоугольной сетки, что позволяет учитывать влияние на устойчивость откоса ряда факторов, изменяющих картину распределения пьезометрических напоров в плотине и ее основании. Варьируя величинами полного давления воды  и сопротивления сдвигу, определяют величину  для всех расчетных случаев.

Перед расчетом составляется схема расчетной области в прямоугольных координатах. Начало координатных осей в первом приближении можно определить следующим образом. За нулевую отметку (ось абсцисс) принимается самая нижняя точка поверхности более прочного грунта. Если такой поверхности нет, то нулевая отметка выбирается на глубине одной - двух высот плотины от поверхности основания.

Центры кривых скольжения располагают в пределах поля центров окружностей скольжения. Далее откорректируют границы поля центов окружностей скольжения так, чтобы рассматриваемые поверхности скольжения покрывали все участки откоса, как это делалось на рис.5.49 для того, чтобы сместить поле центров окружностей скольжения или увеличить его достаточно изменить координаты поля центров вращения.

Поле центров окружностей скольжения разбивается сеткой с шагом  и . Опыт показал, что величины  и  можно принять равными , где  - абсцисса точки на поверхности сооружения. Из каждой точки сетки проводится серия окружностей скольжения разного радиуса. Одни из них являются касательными (см. рис.2) к границам слоев основания, что дает возможность учесть влияние слабого слоя на устойчивость, радиусы других окружностей меняются от максимального до минимального с шагом , который может быть произвольным. При этом для каждой точки сетки - это радиус окружности касательной к нижней границе расчетной области, для каждой точки сетки - это радиус окружности, примерно равный длине перпендикуляра из рассматриваемого центра на грань откоса плюс , не рассматриваются поверхности, содержащие 4 и менее отсеков и поверхности, в которых максимальное заглубление менее 1,6 м.

Сооружения 1-ой группы

Для сооружений 1-ой группы нормы предусматривают выполнение сейсмологических исследований, в результате которых в районе сооружения должны быть установлены расположение основных зон возможных землетрясений и характеристики этих землетрясений, включая параметры сейсмических воздействий и направление подхода к сооружению сейсмических волн из расположенных в указанных зонах очагов землетрясений. На основе этих исследований для площадки строительства определяется параметр, отражающий в расчетах интенсивность сейсмического воздействия, - величина расчетного ускорения основания сооружения при землетрясениях с принятыми периодами их повторяемости (Т^ПЗ_ПОВ и Т^МВЗ_ПОВ). Для указанной группы сооружений в качестве такой величины принимаются (с обеспеченностью не менее 50%) максимальные пиковые ускорения основания при проектном землетрясении а_П^ПЗ и при максимальном расчетном землетрясении а_П^МВЗ.

Данные величины являются главными параметрами расчетных акселерограмм (РА), моделирующих расчетные сейсмические воздействия. В качестве РА используются аналоговые акселерограммы из числа записей, сделанных непосредственно на площадке строительства или в районах, сходных с районом строительства по тектоническим, геологическим и другим условиям. Применяются также синтезированные акселерограммы, полученные с учетом таких параметров, как общая длительность сейсмических колебаний, преобладающий период колебаний с максимальным пиковым ускорением, длительность фазы сейсмических колебаний с амплитудными значениями ускорения, составляющими 0,3 или 0,5 максимального пикового значения и преобладающие периоды колебаний точек на поверхности. При синтезе РА учитываются данные о скоростных, частотных и резонансных характеристиках грунтов в основании. Используется также методика синтезирования РА, в которой заданным является спектр реакции, представляющий собой огибающую спектров реакций аналоговых акселерограмм. При необходимости аналоговые и синтезированные акселерограммы масштабируются по величинам а_П^ПЗ и а_П^МВЗ.

Важным элементом построения РА является ограничение снизу величин максимальных пиковых ускорений основания а_П^ПЗ и а_П^МВЗ. Для этой цели в качестве первой основы используются данные сейсмического районирования территории страны.

В настоящее время в России для оценки сейсмической активности местности принята 12-балльная сейсмическая шкала МSК-64 (фактически - аналог шкалы Меркалли, модифицированной ММ). В этих единицах сейсмичность территории определяется по картам Общего сейсмического районирования территории РФ (ОСР-97). На этих картах (А, В, С) указана нормативная сейсмичность I ^НОР, т.е. интенсивность землетрясения, имеющего на данной территории нормативное значение повторяемости Т^НОР_ПОВ.

В связи с повышенной ответственностью сооружений 1-ой группы сейсмостойкости для этих объектов предусматривают дополнительное уточнение нормативной сейсмичности площадки строительства методами детального сейсмического районирования (ДСР).

Принято, что площадки с нормативной (исходной) сейсмичностью I ^НОР (при средних по сейсмическим свойствам грунтах), равной 7, 8 и 9 баллам, имеют величины расчетного ускорения основания (в долях g) 0,10; 0,20 и 0,40 соответственно.

Грунтовые условия на строительстве оцениваются через категории грунтов по их сейсмическим свойствам. Таких основных категорий грунтов принято три.

К I категории относятся большинство скальных грунтов (скорость распространения поперечных волн V_S >700 м/с), за исключением сильновыветрелых и разрушенных. К II категории относятся грунты с V_S=250-700 м/с: полускальные грунты (с сопротивлением на одноосное сжатие R_C <5 МПа), крупнообломочные, песчано-гравелистые и песчаные грунты, плотные и влажные, пылевато-глинистые грунты с показателем текучести I_L <0,5. К III категории относятся грунты с V_S < 250 м/с: рыхлые и водонасыщенные пески, пылевато-глинистые грунты с показателем текучести I_L > 0,5. В случаях, когда основание площадки сложено грунтами, занимающими промежуточное положение между грунтами I и II или II и III категорий (например, слоистыми грунтами), дополнительно к категориям грунта вводятся, соответственно, категории I-II и II-III. При этом расчетная сейсмичность площадки I ^РАС при грунтах I-II категории принимается как при грунтах II категории, а при грунтах II-III - как при грунтах III категории.

В нормах допускается при соответствующем обосновании снижать на 1 балл расчетную сейсмичность I ^РАС на период нахождения водохранилище в опорожненном состоянии.

Нижние границы для максимальных пиковых ускорений основания а_П^ПЗ и а_П^МВЗ на площадке строительства определяются по формулам:

а_П^ПЗ = k _А ^ПЗ g A_{500 (}2-1)

а_П^МВЗ = k _А ^МВЗ g A_{5000 (}2-2)

 

где A ₅₀₀ и A _{5000 -} расчетные амплитуды ускорения основания (в долях g, м/с²), определенные для землетрясений с нормативными периодами повторяемости T ⁵⁰⁰ _ПОВ и T ⁵⁰⁰⁰ _ПОВ соответственно с учетом отличия реальных грунтовых условий на площадке от средних грунтовых условий; значения A ₅₀₀ и A _{5000 (}а также значения I ^РАС) даны в таблице 2.1; k _А ^ПЗи k _А ^{МВЗ -} коэффициенты, учитывающие вероятность данного землетрясения за расчетный срок службы T _СЛ, а также переход от нормативного периода повторяемости в 500 лет T ⁵⁰⁰ _ПОВ к принятому периоду повторяемости Т^ПЗ_ПОВ и от нормативного периода повторяемости в 5000 лет T ⁵⁰⁰⁰ _ПОВ к принятому Т^МВЗ_ПОВ; значения k _А ^ПЗи k _А ^МВЗ принимаются по таблице 2.1

 

Таблица 2.1 Значения величин A ₅₀₀ и A _{5000 (}в долях g)

Категория грунта	IНОР, баллы
	6		7		8		9		10
	IРАС, баллы	A	IРАС, баллы	A	IРАС, баллы	A	IРАС, баллы	A	IРАС, баллы	A
I	-	-	-	-	7	0,12	8	0,24	9	0,48
I-II	-	-	7	0,08	8	0,16	9	0,32	-	-
II	-	-	7	0,10	8	0, 20	9	0,40	-	-
II-III	7	0,06	8	0,13	9	0,25	-	-	-	-
III	7	0,06	8	0,16	9	0,32	-	-	-	-

 

Примечание: I ^НОР имеет значения I ^НОР ₅₀₀ или I ^НОР _5000,I ^РАС соответственно I ^РАС ₅₀₀ или I ^РАС _5000. В таблице 2.1 используется расчетная сейсмичность площадки I ^РАС, которая устанавливается на основе значения нормативной сейсмичности I ^НОР с учетом местных грунтовых условий, рельефа поверхности и других особенностей площадки. Для сооружений 1-ой группы величина I ^РАС определяется с использованием уточненного (в результате проведения исследований ДСР) значения нормативной сейсмичности I ^НОР площадки. Влияние грунтовых и других местных условий оценивается обязательно методами СМР.

 

Таблица 2.2 Значения коэффициентов k _А ^ПЗ и k _А ^МВЗ

Расчетный срок службы ТСЛ, годы	kАПЗ					kАМВЗ
	ТПЗПОВ, годы					ТМВЗПОВ
	100	200	300	400	500	5000	10000
10	0,55	0,60	0,65	0,68	0,70	0,70	0,80
20	0,63	0,70	0,74	0,78	0,80	0,80	0,90
50	0,70	0,78	0,83	0,87	0,90	0,90	1,00
100 и более	0,80	0,87	0,93	0,97	1,00	1,00	1,10

Сооружения 1-ой группы

Гидросооружения 1-ой группы сейсмостойкости рассчитываются на ПЗ и МВЗ методами динамической теории (ДТ) сейсмостойкости. В этом случае сейсмическое ускорение основания задается РА, представляющей собой в общем случае однокомпонентную, двухкомпонентную или трехкомпонентную (j=1,2,3) функцию времени . Сейсмические воздействия могут задаваться также велосиграммами либо сейсмограммами. Расчеты на ПЗ в рамках ДТ выполняются, как правило, с применением линейного динамического анализа, а на МВЗ - линейного или нелинейного временного динамического анализа.

При выполнении расчетов по ДТ деформации, напряжения и усилия определяются на всем временном интервале сейсмического воздействия на сооружение. При этом в случае применения линейного динамического анализа максимальные и минимальные значения этих величин за весь рассматриваемый временной интервал суммируются со начениями деформаций, напряжений и усилий, полученными от остальных нагрузок и воздействий, входящих в состав особого сочетания нагрузок, включающего сейсмические воздействия.

В расчетах сейсмостойкости сооружений по ДТ используются параметры затухания z, установленные на основе динамических исследований поведения сооружений при сейсмических воздействиях. При отсутствии экспериментальных данных о величинах параметров затухания z допускается применять значения параметров затухания, не превышающими:

0.05 - для бетонных и железобетонных сооружений;

0.15 - для сооружений из грунтовых материалов;

0.08 - для скальных пород оснований;

0.12 - для полускальных и нескальных грунтов оснований.

Сооружения 2-ой группы

Сооружения 2-ой группы сейсмостойкости рассчитываются на ПЗ методами линейно-cпект-ральной теории (ЛСТ). В этих расчетах материалы сооружения и основания считаются линейно-упругими; в поведении системы "сооружение-основание" отсутствует геометрическая или конструктивная нелинейность. Сейсмическое ускорение основания задано постоянным вектором, модуль которого определяется по формуле:

 

 = k _А ^ПЗ g A _{500 (}2-3)

 

где k _А ^ПЗ, g , A ₅₀₀ - то же, что и в формуле (2-1).

В случаях, когда при расчете сейсмостойкости по ЛСТ система "сооружение-основание" разбита на отдельные дискретные объемы, то в качестве сейсмических нагрузок используются узловые инерционные силы - P_ikj, действующие на элемент сооружения, отнесенный к узлу k, в направлении j при i - ой форме собственных колебаний. В общем случае значения компонент узловых сил P_ikj по трем (j=1, 2,3) взаимно ортогональным направлениям определяются как:

 

P_ikj = k_f k_H k _y m_k  b _i h _ikj (2-4)

 

где: k_f - коэффициент ответственности сооружения и недопустимости в нем повреждений; k_H - коэффициент, учитывающий конструктивные особенности сооружения; k _y - коэффициент, учитывающий демпфирующие свойства конструкций; m_k - масса элемента плотины, отнесенная к узлу k, (с учетом присоединенной массы воды).

Для всех гидросооружений принимается k_f =0,50.

Для водоподпорных сооружений принимаются значения коэффициента k_H: 1.0 для сооружений высотой 100 м и более; 0.8 для сооружений высотой 60 м и менее; по интерполяции между значениями 1,0 и 0,8 для сооружений высотой 60 - 100 м.

Значения коэффициента k _y для бетонных, ж-б и сооружений из грунтов (в скобках): 1,00 (0,70) - при расчетной сейсмичности строительства I ^РАС не более 8 баллов; 0,80 (0,65) - при расчетной сейсмичности строительства I ^РАС свыше 8 баллов.

Для других видов гидросооружений значения коэффициентов, учитывающих конструктивные особенности и демпфирующие свойства сооружений, допускается принимать на основе опыта проектирования этих сооружении с учетом сейсмических воздействий.  - сейсмическое ускорение основания, определяемое по формуле (2-3); h _ikj - коэффициент формы собственных колебаний сооружения по i-ой форме колебаний:

 

h _ikj =U_ikj  (2-5)

 

где U_ikj - проекции по направлениям j смещений узла k по i-ой форме колебаний; cos ( U_ikj , ) - косинусы углов между направлениями вектора воздействия и перемещениями U_ikj.

b ( T_i ) (или b _i ) - коэффициент динамичности, соответствующий периоду собственных колебаний сооружения T_i по i -ой форме колебаний;

Значения коэффициента динамичности b ( T_i ) определяются по зависимостям (2-6) - (2-8) или по графикам на рисунке 2-1:

 

b (T_i) = 1 + T_i ( b ₀ - 1) /T₁, 0 < T_i <=T₁; (2-6)

b (T_i) = b _0, T₁ < T_i <=T_2; (2-7)

b (T_i) = b _{0 [} T_i/T₂] ^2/3, T₂<T_i; (2-8)

 

где b_0, T₁, T₂ - параметры, значения которых даны в таблице 2-4.

Примечание: Значение произведения k _y b _ш должно составлять не менее 0,80.

 

Рис.2-1. Коэффициент динамичности b ( T_i ) для трех категорий грунтов основания. Обозначения: Кривая 1 - для грунтов I категории; кривая 2 - для грунтов I-II и II категорий; кривая 3 - для грунтов II-III и III категорий

 

Таблица 2.4 Значения параметров b₀, T_1, T₂

Категории грунтов по сейсмическим свойствам	b0	T1	T2
I	2,5	0,10	0,375
I-II и II	2,5	0,15	0,611
II-III и III	2,5	0, 20	0,881

 

При расчете сейсмостойкости сооружений по ЛСТ расчетные значения возникающих в сооружении смещений (деформаций, напряжений и усилий) с учетом всех учитываемых в расчете форм собственных колебаний сооружений следует определять по формуле:

 (2-9)

 

где W - обобщенное значение расчетных смещений (деформаций, напряжений или усилий), возникших в рассматриваемых точках или сечениях под влиянием сейсмических воздействий;

W_i - обобщенное значение смещений (деформаций, напряжений или усилий), возникших в рассматриваемых точках или сечениях под влиянием сейсмических нагрузок (сил), соответствующих i - ой форме собственных колебаний;

q - число учитываемых в расчетах форм собственных колебаний.

Водосбросное сооружение

Выбор водосброса

Основные типы водосбросов, используемых в гидроузлах с глухими грунтовыми плотинами, имеют определенные области применения (рис1). Эти области показаны в зависимости от мощности сбросного потока:

N =0,0098∙Q∙H =0,0098∙6500∙43.7=2783,7 (МВт)

 

где Q - расчетный расход водосброса, м³/с; H - перепад между уровнем ВБ и отметкой уровня воды в русле в НБ при пропуске расчетного паводка Q.

и относительной ширины речной долины L / H , где L и Н - соответственно длина плотины по гребню и ее высота тогда 297/60=4,95 принимаем береговой открытый водосброс по графику В.М. Семенкову.

 

Рис 4. Области применения различных водосбросов в гидроузлах с глухими плотинами (по В.М. Семенкову): I - туннельные водосбросы; II - береговые открытые и глубинные водосбросы: III - русловые водосбросные плотины с поверхностным переливом и глубинными отверстиями.

 

Открытые береговые водосбросы устраивают на гидроузлах с грунтовыми и бетонными глухими плотинами. Располагают их обычно на одном берегу (рис.5). Расположение водосбросов на двух берегах применяют редко: при высоких сбросных расходах и возможности их размещения по топографическим и геологическим условиям и с учетом компоновки гидроузла. Обычно эти береговые водосбросы применяют при расходах 500-12000 м³/с на одно сооружение. Их выполняют в виде открытых водосбросных каналов, быстротоков и разных сочетаний водослива с ними. Водосбросной тракт (быстроток) водосбросов обычно имеет большую длину.

По типу оборудования эти водосбросы подразделяют на регулируемые (с затворами и механизмами для их подъема и опускания) и нерегулируемые (автоматического). Последние не имеют затворов (открытый водослив, сифон) или имеют их, когда подъем затворов происходит по достижению заданного уровня ВБ.

Регулируемые водосбросы с затворами при глухих плотинах обычно на 20% дешевле подобных нерегулируемых водосбросов.

Ось водосбросного тракта чаще всего трассируют по водораздельным участкам склона, по возможности перпендикулярно горизонталям. С особой осторожностью относятся к вариантам трассировки оси водосброса по понижениям эрозионного происхождения (балкам и оврагам), так как это говорит о неблагоприятных геологических и гидрологических условиях. При трассировке оси водосброса перпендикулярно горизонталям объемы земляных работ меньше, чем при трассировке под углом к горизонталям. При трассировке по крутым косогорам ширина транзитной части водосброса должна быть наименьшей. Поэтому быстротоки часто делают сужающимися по течению, что предупреждает также образование катящихся волн.

Открытые береговые водосбросы состоят из трех основных частей: а) подводящего канала; б) водослива фронтального типа, регулирующего сбрасываемый расход; в) водоотводящего тракта.

 

Рис.5. Схема открытого берегового водосброса: 1 - подводящий канал; 2 - водослив; 3 - отводящий промежуточный канал; 4 - быстроток; 5 - концевая часть; 6 - грунтовая плотина; 7 – русло

 

Быстроток.

Быстроток представляет собой канал, уклон которого намного превышает критический. Обычно уклон задают в пределах 0,05-0,25, но он может быть больше, например, в скальных грунтах. Ширина быстротока бывает постоянной или переменной уменьшающейся или возрастающей книзу (рис.6).

Рис.6. Быстротоки: а - расширяющийся; б – сужающийся

Изменение ширины быстротока вызывается условиями гашения энергии в НБ и возможностью сокращения объема работ. Быстротоки выполняют в виде железобетонного лотка с прямоугольным, трапецеидальным или полигональным сечением Сужающиеся в плане быстротоки (рис.7, а) позволяют уменьшить объем земляных работ по трассе, обеспечить плановое сопряжение развитых входных частей с быстротоками постоянной ширины и создать благоприятный гидравлический режим работы концевой части. Однако на длинных быстротоках возникает необходимость устройства в его конце расширяющегося участка (рис.7, а) с рассеивающим носком-трамплином.

Рис.7. Средства борьбы с волнообразованием на быстротоках: а - сужение в плане быстротока; б, в, г - гасители в конце быстротока, соответственно, типа зигзаг, ребра и решетчатый трамплин; 1 - водовыпуск;.2 - плотина; 3 - водосброс; 4 - ребра нарастающей высоты; 5 - быстроток; 6 - растекатель; 7 - прорезная водобойная стенка

 

Известно

Q =6500м³/с; B _нач =86 м;

требуется: определить h _кр =

w = h _кр . B=8 ,65.86=744.3 м³

x=2 h _кр +B=2.8,65.86=103,3 м

=0.014, находим

 

Определяем h₀ - нормальная глубина на быстротоке

 

 

Составляем таблицу для нахождения нормальной глубины, для этого задаемся значениями h. Затем строим график h = f (K), из которого определяем h₀.

 

hi	B	W=h. B	X=2h+B	R=W/X	C=1/n. R1/6	K=W. C
1	86	86	88	0.97	71.06	6018
2	86	172	90	1.91	79.59	18912
3	86	258	92	2.80	84.40	36609
4	86	344	94	3.65	88.63	58248
5	86	430	96	4.47	91.67	83339
6	86	516	98	5.26	94.2	111480
7	86	602	100	6.02	96.33	142284
8	86	688	102	6.74	98.17	175346
9	86	774	104	7.44	99.8	210696

 

К_ф=

 

Строим график для определения нормальной глубины.

 

Из графика (при К_ф = 178543) h₀ = 8,20 м.

Определим глубину воды в сжатом сечении в конца быстротока с учетом h_кр

принимаем  Р=15-разница между начальной и концевой частью быстротока.

 

 -

 

где b ширина в конце быстротока

 

 

Во втором приближении:

 

 

В третьем приближении:

 

Принимаю 5,4 h_сж

 

График для определения гидравлического показателя русла Х.

 

Х зависит от отношения , где h-заданная глубина канала,b-ширина канала.

Построение кривых свободной поверхности способом Бахметева

 

 

Где (i-уклон дна; l-длина заданного участка канала; h₀-глубина равномерного течения при заданном расходе Q (нормальная глубина); -относительные глубины и  в конце и в начале данного участка.

Определим глубину воды в сжатом сечении в конца быстротока с учетом h_кр принимаем  Р=15-разница между начальной и концевой частью быстротока.

 

 -

где b ширина в конце быстротока

 

 

Во втором приближении:

 

 

В третьем приближении:

 

 

Принимаю 5,4 h_сж

Тогда h_сж=h₂

Таким образом находим требуемые параметры в конце быстротока при известным данным:

Q =6500м³/с; B _нач =67 м;

Требуется определить:

w = h ₂ . B =5,4.67=361.8 м³

x =2 h ₂ + B =2.5,4.67=77.8 м

, =0.014

Определяем I_cp в начале и в конце быстротока

В начале

 

 

В конце

 

Далее

 

По Бахметеве уточняем h₂

 

 от сюда находим

=0,65

Уточняем

 

Принимаем

Определение дальность отлета струи

Дальность отлета струи L, отброшенной с трамплина, до встречи со свободной поверхностью нижнего бьефа определяется по формуле:

 

 

Здесь  - угол наклона струи к горизонту в створе уступа ( );

g - ускорение силы тяжести;

 - превышение носка над уровнем нижнего бьефа (  = 24 м);

 - коэффициент скорости находится по формуле

 

 

 - превышение носка над уровнем нижнего бьефа (  = 30м);

Т - превышение уровня верхнего бьефа над уровнем воды нижнего бьефа (Т =46 м);

Н - напор на гребне водослива (Н = 11м).

Принимаем высоту носка (трамплина)

 

 

Далее определяем толщину струи в створе уступа

 

 

Следовательно дальность отлета струи будет равна

 

Скорость струи на уровне свободной поверхности нижнего бьефа находится без учета изменения ее формы при движении в воздушной среде.

 

Где ,

 

Далее определяем угол встречи струи со свободной поверхностью (угол входа):

 

 

Струя, войдя под уровень нижнего бьефа, движется по прямой при этом принимается, что ось струи касательная к точке встречи оси струи со свободной поверхность.

Приращение дальности падения струи с учетом движения под уровнем нижнего бьефа по прямой до дна размыва равно

 

Где hр - глубина в яме размыва.

Яму размыва, образующуюся в месте падения струи, можно определить по эмпирической формуле И.Е. Мирцхулавы

 

 

К - коэффициент перехода от средних скоростей к актуальным (К = 1,5-2), W - гидравлическая крупность грунта, определяемая по формуле

 

м

 

Где d - расчетный диаметр частиц грунта, отвечающих фракциям, мельче которых в грунте содержится 90% частиц;  - удельные веса материала и воды с учетом

Вывод: меньше  размыва нет

Глава 3. Плотина из укатанного бетона (УБ-2) (вариант Б)

3.1 Основные характеристики "укатанный бетон" (УБ)

 

За последние 20 лет во многих странах мира установилась тенденция широкого строительства плотин из укатанного бетона (roller compacted concrete) или сокращенно УБ (RCC). УБ представляет собой особо жесткую бетонную смесь с пониженным содержанием цемента и повышенным содержанием пуццоланы (золы-уноса), уплотняемую вибрационными катками. Под понятием УБ подразумевается определение его как нового особо жесткого бетона с широкими физико-механическими свойствами, зависящими не только от его состава, но и от технологии его укладки и виброукатки в плотине. В этом отношении УБ приближается к виброукатаному гравелистому грунту, упрочненному цементом. УБ отличается от традиционного бетона главным образом своей консистенцией. Для эффективного уплотнения УБ должен быть достаточно сухим, чтобы выдержать вес виброкатков, и в то же время достаточно влажным, чтобы обеспечить полное распределение цементного раствора в смеси в процессе перемешивания и виброукатки. УБ значительно отличается и по внешнему виду от обычного бетона, скорее напоминая гравийную насыпь, так как присутствие в нем цементного раствора почти незаметно. Для достижения максимального уплотнения требуется намного большее вибрационное усилие, чем для обычного бетона.

Прогноз местных размывов

Основными параметрами, характеризующими местный размыв, являются его глубина и форма, которые зависят от типа сооружения, кинематических характеристик потока в конце крепления, особенностей грунта и соотношения между шириной водосливного фронта и шириной русла.

Задачами прогноза местных размывов являются определение максимальной глубины размыва, ширины, длины и заложения откосов воронки размыва.

Донный режим сопряжения бьефов - основной гидравлический режим сопряжения бьефов, который наблюдается при устойчивом нахождении струи у дна и характеризуется значительными и медленно затухающими по длине донными скоростями (это недостаток режима), а также вращением в вальце гидравлического прыжка плавающих тел. Режим является наиболее распространённым и часто реализуемой схемой гашения энергии. Транзитная струя может быть не затоплена (незатопленный или отогнанный гидравлический прыжок, обычно такой режим не допускается) и затоплена (затопленный прыжок).

Для низко и средненапорных сооружений обычно рекомендуется донный режим с применением гасителей энергии и растекателей потока, которые улучшают режим сопряжения бьефов, увеличивают интенсивность гашения энергии и приводят к перераспределению скоростей потока. Следует отметить, что наибольшая эффективность гашения энергии (до 65÷75%) происходит в затопленном гидравлическом прыжке.

Определение дальность отлета струи

Дальность отлета струи L, отброшенной с трамплина водослива, до встречи со свободной поверхностью нижнего бьефа определяется по формуле:

 

 

Здесь  - угол наклона струи к горизонту в створе уступа ( );

g - ускорение силы тяжести;

 

,

 

q - удельный расход на носке трамплина;

 - коэффициент скорости, который для водослива с трамплином находится по формуле

 

 

 - превышение носка над уровнем нижнего бьефа (  = 2,71 м);

Т - превышение уровня верхнего бьефа над уровнем воды нижнего бьефа (Т = 55,4 м);

Н - напор на гребне водослива (Н = 11,7 м).

Принимаем высоту носка (трамплина)

 

 

Определяем коэффициент скорости

 

 

Далее определяем толщину струи в створе уступа

 

 

Следовательно дальность отлета струи будет равна

 

 

Для определения наибольшей дальности струи отлета используем формулу

 

Где ,

 

Таким образом наибольшая дальность струи отлета равна

 

 

Скорость струи на уровне свободной поверхности нижнего бьефа находится без учета изменения ее формы при движении в воздушной среде.

 

 

Далее определяем угол встречи струи со свободной поверхностью (угол входа):

,

 

 

Струя, войдя под уровень нижнего бьефа, движется по прямой при этом принимается, что ось струи касательная к точке встречи оси струи со свободной поверхность.

Приращение дальности падения струи с учетом движения под уровнем нижнего бьефа по прямой до дна размыва равно

 

 

Где hр - глубина в яме размыва.

Общая дальность падения струи на дно ямы размыва составит

Струя в полете насыщается воздухом и разрушается. Разрушение струи тем значительнее, чем больше скорость в струе и чем тоньше струя в начальном сечение.

Аэрация сказывается на ее толщине и дальности отлета. Для учета влияния аэрации и распада струи рекомендуется значение L принимается равной L*k=*= м, где k - поправочный коэффициент, величина которого находится по графику (рис.2б) в зависимости от числа Фруда для сечения уступа.

 

 

Яму размыва, образующуюся в месте падения струи, можно определить по эмпирической формуле И.Е. Мирцхулавы

 

 

К - коэффициент перехода от средних скоростей к актуальным (К = 1,5-2), W - гидравлическая крупность грунта, определяемая по формуле

 

м

 

Где d - расчетный диаметр частиц грунта, отвечающих фракциям, мельче которых в грунте содержится 90% частиц;  - удельные веса материала и воды с учетом. Вывод: меньше  размыва нет

 

Литература

 

Обязательная ( нормативная):

1. СНиП 33-01-2003. Гидротехнические сооружения. Основные положения. - М.: Госстрой РФ, 2004.

2. СНиП 2.06.04-82. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения. - М.: Госстрой СССР, 1989.

3. СНиП 2.06.06-85. Плотины бетонные и железобетонные. - М.: Госстрой СССР, 1986.

4. СНиП 2.06.05-84*. Плотины из грунтовых материалов. - М.: Госстрой СССР, 1998.

5. СНиП 2.02.02-85. Основания гидротехнических сооружений. - М.: Госстрой СССР, 1988.

6. СП 33-101. Расчетные гидрологические характеристики. - М.: Госстрой РФ, 2001.

Обязательная (учебная):

7. Рассказов Л.Н. и др. Гидротехнические сооружения. (Учебник, части 1 и 2). - М., Энергоиздат. 1996. - 780 с

8. Каганов Г.М., Румянцев И.С. Гидротехнические сооружения. (Учебное пособие, книги 1,2). - М., Энергоиздат. 1994.

9. Чугаев Р.Р. Гидротехнические сооружения. (Учебное пособие, части 1 и 2). - М., Энергоиздат. 1985. - 620 с

10. Ляпичев Ю.П. Расчеты консолидации грунтовых плотин и оснований. (Учебное пособие) - М.: Изд. УДН, 1989. -120 с.

11. Ляпичев Ю.П. Проектирование и строительство современных высоких плотин. (Уч. пособие). - М.: УДН, 1986. - 275 с.

12. Розанова Н.Н. Бетонные плотины на нескальном основании. (Учебное пособие). - М., изд. РУДН. 1995. - 80 с.

13. Гарбовский Э.А. Фильтрационные расчеты грунтовых плотин. (Учебное пособие). - М.: Изд. УДН, 1993. - 82 с.

14. Гарбовский Э.А., Пономарев Н.К. Расчеты бетонных плотин. (Учебное пособие). - М.: Изд. УДН, 1999. - 404 с.

Дополнительная:

15. Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика (под ред. Недриги В. П). - М., Стройиздат. 1983.

16. Ляпичев Ю.П., Васильев В.Н. Пропуск расходов рек при строительстве гидроузлов. (Уч. пособие). -М., Изд. РУДН. 1979.

17. Гидравлические расчеты водосбросных гидросооружений: Справочной пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 624 с.

18. Киселев П.Г. Справочник по гидравлическим расчетам. - М.: Стройиздат, 1974. - 450 с.

Глава 1

 

Курсовая работа охватывает дисциплины: гидротехнические сооружения, специальные подземные сооружения, механика грунтов, инженерная гидравлика.

Цель и задачи работы:

Тема данной работы - головной высоконапорный гидроузел на горной реке, сооружаемый для подачи воды в деривационную ГЭС (вопросы гидроэнергетики здесь не рассматриваются). Основными сооружениями гидроузла являются: каменно-земляная плотина на скальном основании, отводящий (строительный) туннель и береговой эксплуатационный водосброс (туннельного или открытого типа). Студент должен разработать рациональную компоновку гидроузла на основе заданных параметров водохранилища, гидрологических и геологических данных; с учетом прогноза геотехнических характеристик грунтовых материалов разработать рациональную конструкцию каменно-земляной плотины, выполнить необходимые суффозионно-фильтрационные и статические расчеты плотины, запроектировать основные элементы ее конструкции с учетом геотехнических характеристик грунтов плотины и основания, а также разработать схему пропуска расходов реки во время строительства и эксплуатации гидроузла, выполнить требуемые гидравлические расчеты и запроектировать водосбросные сооружения гидроузла.

Руководитель работы: проф., д. т. н. Ляпичев Ю.П.

Консультанты по разделам:

Каменно-земляная плотина - проф., д. т. н. Ляпичев Ю.П.

Водосбросные сооружения - проф., д. т. н. Ляпичев Ю.П.

II. Исходные данные для проектирования (задание 11)

а) Топографические данные:

1. План места строительства гидроузла и геологический разрез по его створу /Приложение I/.

б) Гидрологические данные:

Максимальные расчетные расходы реки: строительный расход: Q_10% = 400 м³/сек, эксплуатационный расход; Q_1% = 1200 м³/сек.

2. Кривая связи расходов и уровней воды в створе гидроузла

 

Расходы воды, м3/сек	0	100	200	500	800	1200
Уровни НБ, м	87,0	91,0	91,8	93,0	93,7	94,0

 

3. Отметка минимального уровня воды НБ: 91,0 м

4. Отметка максимального уровня воды НБ: 94,0 м

5. Расчетная скорость ветра: 28,0 м/сек

6. Максимальная сейсмичность района строительства: 8 баллов

7. Длина водохранилища по направлению господствующих ветров: 3км

в) Задаваемые параметры гидроузла:

1. Класс гидроузла: II

2. Состав основных сооружений: (плотина, водосбросы)

3. Отметка нормального подпорного уровня (НПУ): 145,5 м

4. Отметка уровня мертвого объема: 135,0 м

5. Кривая объемов водохранилища:

 

Отметки уровней воды ВБ, м	87,0	100	120	135	140	145,5
Объем водохранилища, 106м3	0	0,1	0,2	1,8	3,7	8,4

 

г) Геологические условия в створе гидроузла:

1. Физические расчетные характеристики грунтов и скальных пород основания

 

№ пород	Наименование породы и плотность ее частиц, γ ч, т/м3	Степень трещиноватости, (модуль, Мт)	Степень выветрелости (коэфф. - т, Квс)	Удельное водопоглощение, q, л/мин на 1п. м.	Коэффициент фильтрации, Кф, м/сут
1	известняки (2,72)	10	0,75	4,0	-
2	суглинки (2,77)	-	-	-	0,1
3	крупный песок (2,6)	-	-	-	50

 

2. Механические расчетные характеристики пород основания

 

№ пород	Временное сопротивление сжатию Rс, кгс/см2	Прочность на сдвиг		Модуль деформации Е*103, кгс/см2	Коэффициент Пуассона, ν	Коэффициент крепости, fкр
		Сцепление С, кгс/см2	Угол внутреннего трения, tg j
1	200	1,5	0,8	50	0,22	7
2	-	1,2	0,5	0,25	0,35	-
3	-	-	0,62	0,5	0,3	-

 

д) Карьерные грунты:

Расчетные характеристики грунтов:

а) физические характеристики:

 

№ грунтов	Плотность частиц, γ ч, т/м3	Пористость, n	Коэфф.-т фильтрации Кф, см/с	Для связных грунтов (дополнительно)
				Каръерная влажность, W к,%	Оптимальная влажность, W опт,%	Максим. плотность сухого грунта, γсух (макс), т/м3	Число пластич-ности, W пл,%	Предел раска-тыва-ния, Wр,%
1	2,7		10-6	8,0	8,5		7,0	18,0
2	2,65		10-1	3,0	-		-	-

 

б) зерновой состав (содержание в % различных фракций крупностью d, мм)

 

№ грунтов и их наименование	<0,005 мм	0,005-0,05 мм	0,05-0,5 мм	0,5-5 мм	5-100 мм	100-500 мм	>500 мм (Dmax, мм)
1 морена	9	25	16	13	37	0	(200 мм)
2 галечник	-	-	5	10	45	30	10 (600)
3 камень

 

Состав работы:

В составе работы студенту необходимо:

1. Определить превышение гребня плотины над НПУ с учетом расчетных параметров волны.

2. Разработать противоволновое крепление верхового откоса крупным камнем

3. Выполнить прогноз геотехнических характеристик каръерных грунтов в плотине.

4. Разработать предварительный профиль каменно-земляной плотины с глинистым ядром с учетом природных условий строительства и геотехнических характеристик грунтов плотины.

Выполнить суффозионно-фильтрационные расчеты глинистого ядра плотины, запроектировать обратные фильтры и переходные зоны плотины.

Выполнить расчеты порового давления воды и осадок в глинистом ядре плотины к концу строительства плотины.

Выполнить на компьютере (программа UST) расчеты статической и сейсмической устойчивости откосов плотины во время эксплуатации.

8. На основе выполненных расчетов уточнить профиль плотины с разбивкой его на зоны грунтов, разработать конструкцию гребня плотины, основных элементов сопряжения глинистого ядра плотины со скальным основанием и береговыми примыканиями.

9. Разработать рациональную конструкцию берегового эксплуатационного водосброса (туннельного или открытого) и отводящего (строительного) туннеля с учетом возможности их совмещения.

10. Выполнить гидравлические расчеты эксплуатационного и строительного водосбросов, определив размеры сечений входного, транзитного и концевого участков, режим сопряжения бьефов с учетом устройств нижнего бьефа по гашению энергии потока;

11. Разместить водосбросы и грунтовую плотину на генплане с учетом топографических, гидрологических и геологических условий, добившись рациональной компоновки гидроузла.

Отчетные материалы:

1. Чертежи в ACAD (3 листа формата А3 или А2)

Лист 1. Генплан гидроузла и геологический разрез по створу с показом всех сооружений.

Лист 2. Грунтовая плотина. Результаты расчетов плотины. Поперечники и детали плотины. Лист 3. Эксплуатационный и строительный водосбросы. Продольный и поперечные разрезы.

Примечание: компоновка чертежей, масштабы и степень детализации сооружений устанавливаются студентом при консультации с преподавателем и утверждаются руководителем.

2. Пояснительная записка в Word (формат А4, 25-30 стр).

Введение. Оценка природных условий и исходных данных.

Глава I. Описание компоновки гидроузла с учетом схемы пропуска строительных и эксплуатационных расходов реки.

Глава 2. Каменно-земляная плотина:

1. Расчеты параметров волны и превышения гребня плотины над НПУ.

2. Расчет противоволнового крепления верхового откоса крупным камнем

3. Прогноз геотехнических характеристик грунтовых материалов в плотине.

4. Предварительный профиль каменно-земляной плотины с глинистым ядром.

5. Расчеты фильтрации и выходных градиентов фильтрации в глинистом ядре.

6. Расчеты (подбор) обратных фильтров и переходных зон плотины.

7. Расчеты порового давления воды (закрытая и открытая схемы) и осадок в глинистом ядре к концу строительства плотины.

8. Расчеты на компьютере (программа UST) статической и сейсмической устойчивости откосов плотины во время эксплуатации.

Глава 3. Водосбросные сооружения:

1. Гидравлические расчеты отводящего туннеля.

2. Гидравлические расчеты эксплуатационного водосброса.

3. Расчет режима сопряжения бьефов с учетом устройств НБ по гашению потока.

Список использованной литературы.

Примечание:

Графические материалы, формулы и таблицы, используемые в расчетах или получаемые в результате расчетов, проводятся в пояснительной записке со ссылкой на источники.

В начале записки прилагается задание (план местности, геологический разрез и др.).

Глава 2. Вариант гидроузла с каменно-земляной плотиной

 

Паспорт гидроузла. Определение отметки гребня грунтовой плотины

 

Отметку гребня плотины следует назначать на основе расчета возвышения гребня (h_s ) над расчетным уровнем воды.

Отметку гребня плотины ( Гр) следует определять для двух случаев стояния уровня воды в верхнем бьефе (ВБ):

при нормальном подпорном уровне (НПУ), соответствующем пропуску максимального паводка, входящего в основное сочетание нагрузок и воздействий:

 

Гр = НПУ + h_s =145.5+3,74=149,24 (1)

 

Из двух полученных результатов расчета выбирают более высокую отметку гребня плотины.

Возвышение гребня плотины h_s , в обоих случаях (Рис.1) определяется по формуле:

h_s = D h_set + h_{run 1%} + a =0,0011+2.93+0,8=3,74 (2)

 

где D h_set - ветровой нагон воды в ВБ;

h_{run 1% -} высота наката ветровых волн обеспеченностью 1%;

а - запас возвышения гребня плотины.

Рис. 1. Схема определения отметки гребня грунтовой плотины: а) без парапета; б) с парапетом; 1 - расчетный уровень при НПУ и ФПУ; 2 - парапет: 3 - объем экономии грунта.

 

При определении первых двух слагаемых формулы (2) следует принимать обеспеченности скорости ветра для расчета элементов волн, наката и нагона при основном сочетании нагрузок и воздействий (при НПУ) по СНиП 2.06.04-82*: для плотин I, II класса - 2% и III, IV класса - 4%. При особом сочетании нагрузок и воздействий (при ФПУ) эти обеспеченности следует принимать для сооружений I - II классов 20%, для III класса - 30%, для IV класса - 50%.

Запас а для всех классов плотин принимают не менее 0,5 м.

При определении высоты наката волн на гидросооружения обеспеченность волн в этой системе принимают равной 1%.

Отметку гребня плотины принимают с учетом строительного подъема, назначаемого сверх определенного по формуле (3-3) возвышения h_s . Величину строительного подъема определяют по расчетной строительной осадке гребня.

При наличии на гребне плотины сплошного парапета, рассчитанного на воздействие волн, возвышение его верха над уровнем ВБ следует принимать не ниже значений, полученных, по формуле (3-3).

Возвышение гребня плотины в этом случае назначают на 0,3 м над НПУ или на отметке ФПУ, причем принимают наибольшую из них. Парапет уменьшает объем насыпи (Рис.1, б), но появляются затраты на железобетон парапета.

Высота ветрового нагона определяется по формуле:

 

Dh_set = K_w V_w ² cos a_w / gH = 0,00000282х28²х3000хcos0°/9,81х58,5=0,011 м (6.4)

 

где a_w - угол между направлением господствующего (расчетного) ветра и продольной осью водохранилища, град.; L - длина разгона волны по направлению господствующих ветров, м; V_w - расчетная скорость ветра на высоте 10 м над НПУ, м/с; H - условная расчетная глубина воды в водохранилище, м; g = 9,81 м/с²; K - безразмерный коэффициент, зависящий от скорости ветра V_w по формуле:

 

K = 3 (1+0,3 V_w ) 10⁷=0,00000282 (3)

 

При определении элементов ветровых волн водоемы делят на отдельные зоны. В ВБ обычно имеют место глубоководная зона ( ), где дно не влияет на основные характеристики волн, или мелководная зона ( ), в которой дно оказывает влияние на развитие волн и их основные характеристики (H ₁ - расчетная глубина воды;  - средняя длина волны в глубоководной зоне; Н_кр - критическая глубина воды, при которой происходит первое обрушение волн).

Высоту наката на откос волн обеспеченностью 1% по накату (h_{run 1%} , м) для волн 1% обеспеченности (h _1%) при глубине воды перед сооружением H ₁ 2 h _1% определяют по формуле:

 

=0,72х0,55х1,6х2,02х1х2,29=2,93 (4)

 

где значения высоты бегущей волны обеспеченностью 1% (h _1%) и коэффициентов К _r , К _p , K_sp и K_run определяются либо по номограммам и таблицам СНиП 2.06.04-82* [2] с погрешностью до 10%, либо точнее по нижеследующим зависимостям, полученным на основе обработки этих номограмм и таблиц. Это позволяет избежать ошибок при интерполяции данных номограмм и таблиц и проанализировать влияние отдельных факторов на высоту наката.

Для нахождения высоты волны обеспеченностью 1% (h _1%) следует знать среднюю высоту , средний период Т и среднюю длину волн  в глубоководной или мелководной зоне.

В глубоководной зоне указанные параметры волн находятся по следующим новым расчетным зависимостям:

средняя высота волны. (h_d , м)

 

 (5)

 

где  находится по зависимости:

 

 (6)

 

в которой параметр А равен меньшему значению из величин (L / V_w) или (0,5 t); V_w - расчетная скорость ветра, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с²; L - расчетная длина разгона волн, м; t - продолжительность действия ветра, принимаемая для предварительных расчетов t= 21600 с. Средний период волны (Т, с)

 

 (7),

где  =  (8)

 

средняя длина волны ( , м)

 (9)

 

В расчетах устойчивости и прочности креплений откосов из бетонных плит и каменной наброски расчетная обеспеченность i % высоты волн равна, соответственно, 1 и 2%, а при определении наката волн i =1%.

Высота волны 1% обеспеченности в глубоководной зоне равна:

 

 (10)

 

где К _i - коэффициент, определяемый по следующей формуле:

 

 (11)

 

в которой i - принятая обеспеченность, %; L - длина разгона волны, м; а - показатель степени равный:

 

при i 1 а = 0,14 (1 + 0,01i); (12)

при i<1 a=0,14i ^0.25; (13)

 

Высота волны 1% обеспеченности в глубоководной зоне (h_{d 1%}) будет равна:

 

 (14)

 

где K _1% находится по формулам (6.13 - 6.16) при i = l, т.е.

 (15)

 

В формуле (6.17) К _r и К _p - коэффициенты шероховатости и проницаемости откоса, зависящие от типа крепления, могут быть определены по следующим зависимостям:

 

 =  (16)

 

где r - средний размер шероховатости, м (средняя крупность материала крепления или средний размер бетонных блоков).

В формуле (16) при значениях r / h_{d 1%} 0,002 и r / h_{d 1%} 0,2, соответственно, следует принимать К _r = 1 и К _p = 0,9.

При r / h_{d 1%}=0,13 принимаю К _r = 0,72 и К _p = 0,55.

 

К _p = (0,9 - r / h_d1%) К _r (17)

 

в которой при значениях выражения (0,9-r / h_{d 1%}) <0,7 следует принимать (0,9 - r / h_d1%) = 0,7; К _r - определяется по (16).

Коэффициент К _sp в формуле (3-6), зависящий от расчетной скорости ветра и крутизны верхового откоса, может быть определен по формуле (18):

 

К _sp =0,11 [0,15 - V_w (l+0,4m ₁) - 0,6m ₁ + 8_,5] =0,11 [0,15х28 (1+0,4х1,8) - 0,6х1,8+8,5] =1,6 (18)

 

в которую при скорости ветра V _w>20 м/с и V _w<10 м/с следует подставлять, соответственно V _w=20 м/с и V _w =10 м/с, а при заложениях верхового откоса m ₁>5 величину К _sp=1,6 для значений V _w >20 м/c и K_sp =1,2 для значений V _w <10 м/с.

Коэффициент пологости волны K_run в формуле (5) зависит от крутизны (заложения m ₁) верхового откоса и может быть определен при глубине воды перед сооружением H₁ 2 h_{d 1%} по следующим зависимостям:

 

при m ₁  1,5

K_run = l,25 + lg (l + 6 ) (19)

при m ₁>1,5

 (20)

 

При глубине воды перед сооружением H ₁<2 h_d1% и при значениях m ₁>l,5 вместо формулы (3-22) действует формула:

 

 (21)

 

Полученные по формулам (20) и (21) значения K_run следует ограничивать величиной K_run  2,6 - 2,7.

Коэффициент K_β в формуле (3-6), учитывающий угол β подхода фронта волны к плотине (угол β можно принять равным углу α _w между продольной осью водохранилища и направлением ветра, β=α _w), определяется по зависимости:

 

=1 (22)

 

где β =0 - угол подхода фронта волны, град.

Высота наката на откос волн, произвольной обеспеченности i ,% по накату определяется по формуле:

 

 м (23)

 

где К_{н i -} коэффициент, учитывающий обеспеченность по накату, значения которого определяют по формуле:

 

 (24)

 

в которой i - заданная обеспеченность по накату,%.

В случае мелководной зоны (H ₁ ) для определения высоты наката волны пользуются формулой (6.6), а высоту и длину волны корректируют по зависимостям:

 

 (25)

 (26)

 

где  и  - средние значения высоты и длины волны;

 и  - коэффициенты, определяемые по формулам:

 

= 1,06 { [2-H ₁/ ] H ₁/ ] }^0,38 (27)

= { [2,15 - H ₁/ ] H ₁/ }^0,42 (28)