Реферат: Строительство гидротехнического сооружения

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет водного хозяйства и мелиорации

Кафедра строительства и эксплуатации водохозяйственных объектов

Курсовой проект на тему:

«Проектирование водохранилищного узла»

Выполнил: студент группы ВВ-31

Бередин Вадим

Проверил: Островский Н. В.

Краснодар, 2008

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Выбор створа плотины

2 Конструирование поперечного профиля плотины

3 Расчет фильтрации через однородную грунтовую плотину с дренажем при на­личии воды в нижнем бьефе

4 Расчет осадки грунтов основания грунтовой плотины

5 Расчет устойчивости низового откоса грунтовой плотины

6 Трубчато-ковшовый водосброс

7 Водоспуски. Водовыпуски

8 Список использованных источников

9 Приложения

ВВЕДЕНИЕ

Курсовое проектирование ставит своей целью систематилизацию и расширение накопленных знаний, а также их практическое применение при проектировании сооружений водохранилищного узла в конкретных условиях гидромелиоративного строительства, определимых заданием на курсовое проектирование.

Гидротехнические сооружения постоянно подвержены действию проточной или стоячей воды, оказывающей на это сооружение различное воздействие. Механическое воздействие-вода проявляется в разрушении материалов сооружений и грунтов в их основаниях. Биологическое действие-вода проявляется в разрушительном влиянии, живущих в воде и на подводных частях сооружения различных организмов, которые вызывают гниение древесины, зарастание трубопроводов, нарушение поверхностей сооружения.

Группы гидротехнических сооружений, объединённых по расположению и условиям совместной работы, называются гидроузлом. Гидроузлы являются комплексными, которые выполняют несколько функций, что позволяет рационально использовать водные ресурсы. В курсовом проекте ведётся расчёт водохранилищного узла

1 ВЫБОР СТВОРА ПЛОТИНЫ

На положение створа плотины оказывают влияние различные факторы. Топографические условия определяют длину и высоту плотины. Створ пло­тины, как правило, располагают в наиболее узкой части водотока, обычно нор­мально к горизонталям, что обеспечивает минимальные объемы работ, боль­шую роль играют: инженерно-геологические и гидрологические условия, оце­ниваемые прочностными характеристиками грунтов, их напластованием и во­допроницаемостью. Створ плотины целесообразно выбирать одновременно с трассировкой водосбросного тракта. При выборе створа учитывают способ пропуска строительных расходов, наличие и возможность устройства дорожной сети, прокладку линий электропередач.

В процессе изысканий намечают несколько створов. Створ будущей пло­тины из них выбирают с учетом перечисленных факторов и на основе ре­зультатов технико-экономического сравнения вариантов.

Для принятого створа делают продольный профиль с фиксацией отме­ток поверхности земли на пикетах и промежуточных точках. В створе выпол­няют шурфование и бурение скважин для освещения инженерно-геологиче­ского строения основания плотины.

При проектировании плотин учитывают и форму речных долин, в кото­рых на­блюдается два характерных участка: русловой, где протекает вода в ме­женное время, и пойменный, затапливаемый в паводок. На горных участках рек и в руслах малых водотоков поперечное сечение обычно имеет очертание, близкое к треугольному, и здесь пойменных участков нет.

В водохранилищах, создаваемых с помощью грунтовых плотин, разли­чают три уровня поверхности воды: форсированный подпорный (ФПУ); нор­мальный подпорный (НПУ) и мертвого объема (УМО). Отметки этих уровней устанавливают с помощью водохозяйственных расчетов. Иногда форсировку уровня воды не предусматривают, тогда НПУ и ФПУ имеют одну отметку.

2 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПОПЕРЕЧНОГО ПРОФИЛЯ

ПЛОТИНЫ

При проектировании плотин первого и второго класса следует выпол­нять такие основные расчеты: фильтрационные; устойчивости откосов, экрана и защитного слоя; осадок тела плотины и основания; обратных фильтров, дрена­жей и переходных зон; крепление откосов на прочность от действия воды, льда и др. Для плотин третьего и четвертого классов разрешается расчеты осадок тела плотины и основания не делать. Класс грунтовых плотин устанавливается по приложениям.

Расчеты следует выполнять для наиболее характерных поперечных сече­ний плотин и во всех случаях для основных и особых сочетаний нагрузок, в период эксплуатации и в период их возведения.

Уклон откосов плотин необходимо назначать, исходя из условий устойчи­вости с учетом: физико-механических характеристик грунтов откосов и основания; действующих на откосы сил: фильтрационных, капиллярного дав­ления и др.; высоты плотины; условий производства работ по возведению пло­тины и ее эксплуатации.

При предварительном назначении заложения откосов допускается пользо­вание данными аналогичных сооружений с последующей проверкой расчета устойчивости откосов.

При наличии на верховом откосе экрана из материала, имею­щего более низкие значения коэффициента внутреннего трения и коэффициента сцепления по сравнению с грунтом основного тела плотины, заложение верхового откоса следует назначать не только с учетом обрушения откоса в целом, но и сдвига экрана по поверхности откоса.

Для однородных плотин из песчано-глинистых грунтов при плотных грун­тах оснований рекомендуется принимать значения коэффициентов отко­сов, приведенные в таблице 2.1. Для более высоких плотин значение коэффи­циентов откосов увеличиваются через 10 м по высоте - верхового на 0,5, низо­вого на 0,25 и уточняются расчетом на устойчивость.

На откосах через 10-15 м по высоте устраивают горизонтальные пло­щадки - бермы.

Ширину гребня плотины назначают в соответствии с нормами проектиро­вания дорог и ожидаемым характером движения по плотине

Таблица 2.1 - Примерные значения коэффициентов откосов грунтовых плотин

Минимальная ширина гребня 3-4 м, при двухстороннем движении по плотине - от 6-8 до 10-12 м.

Возвышение гребня над расчетным уровнем верхнего бьефа определя­ется по формуле:

(2.1)

где h _н - высота наката ветровой волны на откос, м;

h - высота ветрового на­гона воды, м а- запас плотины, принимае­мый в зависимости от класса капитальности сооружения равным 0,5-1,0 м.,

Высоту наката волн на откос h_н (м) определяют по формуле:

(2.2)

где К_ш - коэффициент, зависящий от типа покрытия откосов (для глад­кого 1,0, для шероховатого 0,55);

m - коэффициент верхового откоса;

h _в - высота волны;

λ - длина волны.

Высоту ветрового нагона ∆h (м) находят по формуле:

(2.3)

где К - коэффициент, зависящий от отношении Н /λ, принимает­ся рав­ным 6·10^-3 ;

ω₁₀ - расчетная скорость ветра в м/с , измеренная на высоте 10 м над уровнем водоема;

L - длина разгона ветровой волны, км;

H - глубина водоема, м;

g - ускорение свободного падения, м/с² ;

α - угол между осью водоема и направлением ветра.

Высоту волны в открытых водохранилищах (м) при длине раз­гона волны от 3 до 30 км и скоростях ветра до 15 м/с вычисляют по формуле:

(2.4)

где ω - скорость ветра, м/с;

L - длина разгона волны, км.

Длину волны λ (м) определяют по формуле:

(2.5)

Расчёт:

Расчёт выпол­няется при следующих природно-климатических услови­ях и заданных пара­метрах проектируемого сооружения: отметка осно­вания – 95 м БС, УНБ_мах = 99 м БС, угол между осью водоема и направлением ветра α=15º , условия проезда но гребню плотины - автодо­рога 4-й категории, отметка НПУ = 107,5 м БС, расчетная ско­рость ветра 16 м/с, длина разгона волны L =3 км.

1 Определяем длину волны по формуле 2.5:

2 Определяем высоту волны по формуле 2.4:

3 Определяем величину ветрового нагона по формуле 2.3:

4 Определяем высоту наката волн на откос по формуле 2.2:

5 Возвышение гребня над НПУ определяем по формуле 2.1:

С учетом полученного расчетного возвышения гребня плотины над ФПУ назначаем отметку гребня плотины 109,542 м БС. На низовом откосе пло­тины проектируем строительство дренажной призмы. От­метка верха дренажной призмы назначается на 1 м выше УНБ_мах , и составляет 100 м БС. Ширина дренажной призмы по верху на­значается 6 м.

3 РАСЧЕТ ФИЛЬТРАЦИИ ЧЕРЕЗ ОДНОРОДНУЮ ЗЕМЛЯНУЮ

ПЛОТИНУ С ДРЕНАЖЕМ ПРИ НАЛИЧИИ ВОДЫ

В НИЖНЕМ БЬЕФЕ

При наличии волы в нижнем бьефе для расчета поло­жения депрессион­ной кривой в теле плотины приме­няются следующие расчет­ные зависимости:

(3.1)

(3.2)

где q _Т - удельный фильтрационный расход, м³ /с · м;

k _Т - коэффициент фильтрации тела плотины, м/сут;

h - глубина фильтрационного потока, м;

h ₀ - глубина воды в нижнем бьефе, м.

Конструкция поперечного профиля земляной пло­тины являет­ся, основой для расчёта длины проекции депрессионной кривой фильтрационного потока с ис­пользованием зависимости 3.3:

(3.3)

где S _Д - проекция депрессионной кривой, м;

b _пл - ширина гребня плотины, м;

Н_пл - высота плотины, м;

∆_Д - превышение дренажной призмы над УНБ_max , м;

Σb _б - сумм. ширина берм низового откоса, м.

m ₂ , m ₃ - коэфф. откосов (низового, внутреннего др. призмы);

h _Д - высота дренажной призмы.

Глубина фильтрационного потока h _ОУ в раздельном сечении ОYопределя­ется с использованием зависимостей (3.4), (3.5). Для этого приравни­ваем правые части уравнений (3.1), (3.2) и находим:

(3.4)

Принимаем

(3.5)

Обозначив подкоренное выражение через F + , получим . Задаваясь значением h не менее трех раз, вычисляем соответствующие значе­ния .

По полученным данным строим график (рисунок 3.1), соблюдая один и тот же масштаб по оси абсцисс и ординат. Из начала координат проводим ли­нию под углом 45º, из точки пересечения ее с кривой опускаем вертикаль на ось абсцисс и находим h - высоту депрессионной кривой в раздельном сечении.

Ординаты кривой депрессии вычисляем по формуле (3.6).

(3.6)

Расчёт:

Построить кривую депрессии и определить удельный фильт­рационный рас­ход однородной плотины с дренажем при наличии во­ды в нижнем бьефе: ко­эффи­циент фильтрации грунта тела плотины (определяется по таблицам А.5, А.6); k_T =0,005 м/сут; Н_пл =14,542 м; b _пл =10 м; b _б =6,0 м; h _Д =5м; m ₁ =3,5; m ₂ =2.5; m ₃ =1,5; d ₀ =2,042м; h ₀ =4м .

С учётом значения высоты дренажа h _Д , заложения откоса m ₃ вычисляем по формуле (3.3):

Определяем глубину фильтрационного по­тока в раздельном сече­нии.

При h =12м значение ;

При h =8м значение ;

При h =4м значение ;

По полученным данным строим график соблю­дая один и тот же масштаб по оси абсцисс и ординат. Из начала коор­динат проводим ли­нию под углом 45°, из точки пересечения ее с кри­вой. Опускаем вертикаль на ось абс­цисс и находим h_OY = 8,8.

По формуле 3.2 с учётом значения k ₁ , принимаемых по табли­цам А5, А6 оп­ределяем удельный фильтрационный расход

на1 метр ширины сооружения.

Ординаты кривой депрессии вычисляем по формуле 3.6:

Расчёт сводим в таб­лицу 3.1. Правильность фильтрационных расчётов подтвер­дится в случае, если x = S ; у = h ₀ .

По полученным значениям положения депрессионной кривой строится де­прес­сионная кривая на поперечном профиле плотины, (ри­сунок В.2).

Таблица 3.1 - Расчет координат депрессионной кривой в теле земляной пло­тины

Точки	х , м		y2	y , м
1	0	0	77,44	8.8
2	5	9,5	67,94	8,2
3	10	19	58,44	7,64
4	15	28,5	48,94	6,9
5	20	38	39,44	6,28
6	25	47,5	29,94	5,47
7	30	57	20,44	4,52
8	32,355	61,47	15,96	3,99

4 РАСЧЕТ ОСАДКИ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЯ ЗЕМЛЯНОЙ

ПЛОТИНЫ

Осадка плотины складывается из осадки тела плотины и осадки грунтов основания.

В процессе возведения плотины насыпь уплотняется до объемной массы скелета γ =1,6-1,7т/м³ . Поэтому, считается, что дальнейшее уплотнение под дей­ствием собственного веса не происходит. Основные деформации возникают из-за уплотнения грунтов основания весом плотины. Величина этой осадки (см) определяется по формуле:

(4.1)

где Т - толщина сжимаемого основания плотины, см;

ε₁ - коэффициент пористости грунта основания плотины в естествен­ном состоянии;

ε₂ - коэффициент пористости грунта основания плотины после возве­дения насыпи.

(4.2)

где n - объем пор;

m - объем скелета в единице объема ненарушенного грунта.

Расчёт:

Определить величину осадки грунта основания земляной пло­тины, если по ре­зультатам геологических изысканий в основании имеют место следующие грунты:

Грунты основания:

1 Глина T ₁ =12 м; γ₁ =2 т/м³

Грунт тела плотины проектиру­ется выпол­нить: из супеси с объемным весом γ_пл =1 т/м³ ; Н_пл =14,546 м; b _пл.гр. =10 м; m ₁ =3,5; m ₂ = 2,5.

1 Определяем напряжения в сжимаемого слоя грунта основа­ния пло­тины в естественном состоянии

2 По компрессионным кривым (рисунок 4,1) находим средневзвешен­ный коэффициент пористости грунта основания плотины

3 Определяем напряжение в точке В на поверхности сжимаемого слоя

Основания

4 Определяется напряжение в середине сжимаемого слоя после воз­веде­ние плотины. Расчётная схема показана на рисунке В.З

Поперечный профиль плотины делим на три фигуры: левый треуголь­ник; средняя часть - прямоугольник; правая - треугольник.

Для левого треугольника вычисляем отношения:

Используя таблицу 4.1 значений напряжений σ _z , выраженных в долях от ин­тенсивности нагрузки р , изменяющейся по треугольнику, получаем для ле­вого треугольника поперечного профиля σ _{z л} =0,34.

Для правого треугольника вычисляем отношения:

Используя таблицу 4.1 значений напряжений σ _z , выраженных в долях от ин­тенсивности нагрузки р , изменяющейся по треугольнику, получаем для ле­вого треугольника поперечного профиля σ _{z пр} =0,34.

Для средней части профиля вычисляем отношения:

Используя таблицу 4.12 значений напряжений σ _z , выраженных в до­лях от интенсивности и равномерно распределенной нагрузки, получаем σ _z =0,478.

5 Определяем напряжение в точке С (на границе сжимаемого слоя), обу­словленные воздействием элементарных фигур.

Напряжение от нагрузки левого треугольника:

Напряжение от нагрузки средней части:

Напряжение от нагрузки правого треугольника:

6 Полное напряжение в точке С определяется, как сумма отдельных трех нагрузок от левой, правой и центральной части:

7 В среднем грунте основания под гребнем плотины напряжение с уче­том первоначального напряжения (ρ_нач ) будет:

8 По компрессионной кривой при ρ_с =1,67 кг/см² определяем средне­взвешенный коэффициент пористости ε₂ =0,35

9 Величину полной осадки основания под гребнем плотины определя­ем по формуле:

На основании выполненных расчетов выполняется проверка достаточно­сти высоты плотины и, при необходимости, увеличивается величина запаса вы­соты плотины.

Рисунок 4.1 - Компрессионные характеристики грунтов

Таблица 4.1 - Значения напряжений σ _z выраженные в долях от ин­тенсивно­сти р изменяющейся по треугольнику.

	-1.5	-1,6	-0,5	0	0,25	0,5	0,75	1.0	1,5	2,0	2,5
0,00	0.000	0,000	0,000	0.000	0,250	0,500	0,750	0,500	0,000	0,000	0
0,25	-	-	0,004	0.075	0,256	0,480	0.643	0,424	0,015	0,003	-
0,50	0,002	0,003	0,023	0,127	0,263	0,410	0,477	0,353	0,056	0.017	0,003
0,75	0,006	0,016	0,042	0,153	0,248	0,335	0,361	0,293	0,108	0,024	0,009
1,0	0,014	0,025	0,061	0,159	0,223	0,275	0.279	0,241	0,129	0,045	0,013
1,5	0,020	0,048	0,096	0,145	0,178	0,200	0,202	0,185	0,124	0,082	0,041
2,00	0.033	0,061	0,092	0,127	0.146	0,155	0,163	0,153	0,108	0,069	0,050
3,00	0,500	0.064	0,080	0,096	0,103	0,104	0,108	0,104	0,090	0,071	0,050
4,00	0,051	0,060	0,067	0,075	0,078	0,085	0,082	0,075	0,073	0,060	0,049
5,00	0,047	0,052	0,057	0,059	0.062	0.063	0,063	0,065	0.061	0.051	0.047
6,00	0,041	0.041	0,050	0.051	0,052	0,053	0.055	0.053	0,50	0,050	0,045

Таблица 4.2 - Значения напряжений σ _z выраженные в долях от ин­тенсивно­сти равномерно распределённой нагрузки

	0	0,25	0,5	1	1,5	2
0,00	1,00	1,00	0,50	0,00	0,00	0,00
0,25	0,96	0,90	0,50	0,02	0,00	0.00
0,50	0,82	0,74	0,48	0,08	0,02	0,00
0,75	0,67	0,61	0,45	0,15	0,04	0,00
1,00	0,55	0,51	0,41	0,19	0,07	0,02
1,25	0,46	0,44	0,37	0,20	0,10	0,03
1,50	0,40	0,38	0,33	0,21	О.П	0,06
1,75	0,35	0,34	0,30	0,21	0,11	0,07
2,00	0,31	0,31	0,28	0,20	0,13	0,08
3,00	0,21	0,21	0,20	0,17	0,135	0,10
4,00	0,16	0,16	0.15	0,14	0,12	0,10
5,00	0,13	0,13	0,12	0,12	0,11	0.09
6,00	0,11	0,10	0,10	0,10	0,10	-

5 РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ НИЗОВОГО ОТКОСА ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ

Степень устойчивости низового откоса оценивается коэффи­циентом за­паса ус­тойчивости k _з . В результате расчета заданного от­коса требуется найти ми­ни­мальное значение k _з и сравнить эту вели­чину с k _{з. доп} , при этом должно быть соблюдено условие k _{з. мин} k _{з. доп} , где величину допускаемого коэф­фи­ци­ента за­паса k _з ._доп назначают в зависимости от класса капитальности соору­же­ния и ус­ловий работы откоса по таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Допускаемые коэффициенты запаса устойчиво­сти откосов

Расчёт:

Определить коэффициент запаса устойчивости низового отко­са грунто­вой пло­тины. Грунт тела плотины - суглинок. В основании плотины присутст­вуют: супесчаный грунт мощностью 4,5 м и ниже суглинистый грунт. Конст­рукция поперечного профиля плотины ана­логична примеру раздела 2. Кри­вая депрес­сии принимается по расчет­ным данным в примере раздела 3. Класс капи­тально­сти сооружения III.

Расчет ведется по методу круглоцилиндрической поверхности графоанали­тиче­ским способом. Вычерчивается поперечный профиль плотины при усло­вии ра­венства горизонтального и вертикального масштабов. Прово­дится ос­редненная линия низового откоса А'В'. На профиль наносится кривая депрес­сионной по­верхности фильтрацион­ного потока в теле плотины.

Коэффициент запаса на устойчивость определяется как отно­шение суммы мо­ментов удерживающих сил к сумме моментов сдви­гающих сил:

(5.1)

Действующие силы определяются в следующей последова­тельности:

1 Строится прямоугольник ДЖЖ'Д'. Для построения из средины осредненного (линия А'В') откоса (точка Б) прочерчивается вертикаль и ли­ния под углом 85º и затем, пользуясь таблицей 5.2 вы­числяются радиусы БД и БЖ и проводятся дуги ДД' и ЖЖ'.

Таблица 5.2 - К построению кривой скольжения

Коэффици­ент от­коса т	1	2	3	4	5	6
	0,75	0,75	1,0	1,5	2,2	3,0
	1.5	1,75	2,3	3,75	4,8	5,5

БД=k ₁ ·Н_пл =0, 75*14,542=10,9 м;

БЖ=k ₂ ·Н_пл =1,75*14,542=25,45 м.

В секторе ДЖЖ'Д' выбираем центр скольжения О, из которого радиу­сом R очерчиваем кривую скольжения АГ с таким расчетом, чтобы она проходила между осью плотины и бровкой низового откоса пло­тины.

2 Делим массив откоса АА'В'ГА на вертикальные по­лосы шириной b = 0,1R . Разбивку полос начинаем с нулевой, которая располагается по обе сто­роны от вертикали, опущенной из точки О до пересечения с кривой скольжения АГ.

3 Для рассматриваемой полосы sin α равен ее порядко­вому номеру, поде­лен­ному на 10. Для полос, расположенных от нулевой полосы влево sin α - поло­жи­тельны, а для полос, расположенных вправо - отри­цательны. При этом, для пер­вой и последней полос sin α прини­мается в зависимости от доли полосы по от­ношению к полной ее ши­рине, например, в полосе 10 sin α =0,3, а в по­лосе -7 sin α = - 0,4 .

4 Вычисляется cos α формуле:

(5.2)

По оси полосы измеряются ее средние высоты: от поверхности отко­
са до линии депрессии для фунта плотины с естественной влажно­
стью h _ес.пл , от линии депрессии до линии основания - грунт плотины насыщен­ный водой h _нас.пл , от линии основания - высота насыщенных водой грунтов ос­нования в пределах расчетного массива h _{нас.осн 1} , h _{нас.осн 2} , h _{нас.осн 3} .

6 Приведенную высоту полосы определяем по формуле:

(5.3)

Значения объемного веса грунта принимаются по таблицам средних значе­ний физико-механических характеристик грунтов оснований и тела пло­тины

7 Выбор угла внутреннего трения φ и удельного сцепления с проводится также по таблицам средних значений физико-механических свойств грунтов оснований и тела плотины в зависимости от того, в какой области относительно кривой депрессии и в каком слое основания находится низ отсека полосы .

Для настоящего распределения грунтов тела плотины и основания вы­браны характеристики, показанные в таблице 5.3.

Каждой области с выбранными φ и с вдоль кривой скольже­ния отвечает соот­ветствующий центральный угол β _i . Общая длина дуги кривой скольжения скла­дывается из длин участков l_i :

(5.4)

Таблица 5.3 - К построе­нию кривой скольжения

Расчеты по формулам 5.1 - 5.4 сводятся в таблицу 5.4. В таб­лице 5.4 также вы­полняются промежуточные расчеты с получением значений необхо­димых для окончательного вычисления коэффициен­та устойчи­вости низового откоса.

8 К числу сил, сдвигающих низовой откос, относится сила ΩΙ - гид­родина­миче­ского давления определяемая площадью фильтрационного потока Ω в зоне опол­зающего массива и средним уклоном фильтра­цион­ного потока Ι в этой зоне.

(5.5)

(5.6)

где , - параметры гра­диента фильтрационного потока в зоне спол­заю­щего массива.

Площадь фильтрационного потока Ω определяется суммиро­ванием пу­тем насыщенных высот полос по полосам обрушаемого мас­сива (графы 5 - 8 таб­лицы 5.4) и умножением на ширину полосы.

В ходе графических построений вектор силы гидро­динамиче­ского давле­ния проводится через центр тя­жести фигуры, ограничен­ной депрессион­ной кривой и кривой скольжения. Относительно цен­тра скольже­ния О опреде­ляется плечо силы r .

Величину коэффициента запаса на устойчивость определяем по фор­муле 5.7:

(5.7)

Полученное значение коэффициента запаса удовлетворяет нормаль­ным усло­виям работы сооружений III класса. Однако, при выполне­нии единствен­ного расчета нельзя сделать вывод о том, будет ли по­лученное значение коэффи­циента устойчивости минимальным. В практике проектирования с до­пускае­мым значением коэффициента запаса сравнивается минимальное значе­ние k _{з мин} , полученное в ре­зультате расчетов по нескольким кривым скольжения.

Таблица 5.4 - Расчет действующих сил

∑ h _нас.пл =43,6 ∑ h _{нас.осн . и пл.} =132,2 ∑ l =89,55

∑ h _{нас.осн . 1} =88,6 ∑ h _пр cos α tgφ =28,1

∑ h _пр sin α =35,66 ∑ cl =210,455

6 ТРУБЧАТО-КОВШОВЫЙ ВОДОСБРОС

Трубчато-ковшовый водосброс состоит из входной части, напорных труб и устройства гашения энергии в нижнем бьефе. Рекомендуется проектировать при Q =20 -30 м³ /с.

Входная часть представляет собой водослив практического профиля боль­шой ширины с подходом с торца и с боков. Если верх водо­слива находится на отметке нормального подпорного уровня, то со­оружение работает как во­дос­брос автоматического действия.

За водосливным порогом устраивают ковш, в нижней части которого раз­ме­щаются входные отверстия труб.

Для водосброса обычно применяют железобетонные или асбестоцемент­ные трубы. Трубы укладывают на подготовку из тощего бе­тона толщиной 0,2 - 0,4 м. Для предупреждения сосредоточенной фильтрации вокруг труб укладывают глину или глинобетон.

Водосброс трассируется по пойме водотока (не по насыпному грунту пло­тины).

Гидравлический расчет сводится к определению ширины водослива, потерь напора в трубах и определению размеров водобойного колодца.

Ширина водослива:

(7.1)

где с - коэффициент подтопления (рисунок 7.1);

т - коэффициент расхода;

Н₁ , - напор на пороге водослива.

Коэффициент подтопления определяется в зависимости от отношения:

где h_n - высота подтопления;

Н₀ - напор на водосливе с учётом скорости подхода.

Общая ширина водослива складывается из торцевой и боковых частей водослива. Ширина торцевой части должна быть больше или равна входному фронту раструба ковша водосброса.

Рисунок 7.1 - График для определения коэффициента подтопления

Задаваясь количеством труб и их размерами, определяют скорость в трубах:

Полные потери напора определяются по зависимости:

(7.2)

Коэффициент сопротивления на входе определяется с учетом скорости в трубе υ :

где υ_вх - средняя скорость во входном сечении, м/с

При острых кромках =0,5; при плавном входе =0,2; при очень плавном =0,05.

Коэффициент сопротивления на выходе из водовода в нижний бьеф опреде­ляют по зависимости:

(7.4)

где ω₁ - площадь по­тока в трубе, м² ;

ω₂ - площадь выходного сечения (площадь живого сечения потока в водо­бой­ном колодце при выходе), м² .

Коэффициент сопротивления по длине:

Для круглых труб

(7.5)

Для прямоугольных труб

(7.6)

Значение коэффициента сопротивления по длине λ определяют по таб­лице 7.1 в зависимости от п и d . Значение коэффициента ше­роховатости прини­мают по данным.

Если полные потери равны напору на сооружении, то сечение труб доста­точно для пропуска расчётного расхода. Если суммарные потери напора зна­чительно меньше напора на сооружении, то необхо­димо уменьшать расчет­ный диаметр труб водовода.

В конце трубопровода устраивают гаситель энергии - водобой­ный коло­дец или водобойную стенку.

Таблица 7.1 - Значения коэффициента λ для круглых труб

Расчёт:

Q= 22м³ /с; Н₁ = 1 м ; НПУ = 107,5 м; ; УНБ =99 м;

ФПУ = 108,5 м; n_труб = 0,013; (n=0.О125, n=0.012-0.018); l=110 м.

В период сброса паводка принимаем, что водослив подтоплен. Уровень воды в ковше на 0,25 м выше порога водослива h_п =0,25м разность уровней в конце и НБ составляет:

Определяем ширину водослива:

находим

по графику (рис. 7.1) σ _n =0,96, т =0,42 как для трапецеидального водослива, формула (7.1).

Принимаем две трубы водосброса диаметром 1м (2м - второй расчетный случай), тогда площадь живого сечения в трубах равна:

и 6,28 м² - при диаметре 2 м

Определяем скорость в трубах:

- при диаметре 2 м

Предельно допустимые скорости в напорных водоводах опреде­ляется в зави­симости от диаметра, d =1 допускаемая скорость 17 - 32 м/с.

Вход в трубу выполняем в виде раструба d =4. Площадь входно­го рас­труба составляет 12,56 м² или 25,12 м² для 2-х раструбов.

Скорость на входе в раструб будет:

Зная скорости, определяем коэффициент сопротивления на входе:

- при диаметре труб 1 м

- при диаметре труб 2 м

Ширину водо­бой­ного колодца назначаем конструктивно с уче­том ши­рины выходного фронта водовода - 5 м. Глубина водобойного колодца при­ни­мается конструктивно из условия затопления выходно­го сечения - 2,5 м.

Определяем коэффициент сопротивления на выходе в НБ:

- при диаметре труб 1 м

- при диаметре труб 2 м

Определяем коэффициент сопротивления по длине трубопровода

- при диаметре труб 1 м

- при диаметре труб 2 м

Коэффициент сопротивления на поворотах трубопровода опре­деляем ς_пов =0,1 м, два поворота ς_пов =0,2 м.

Определяем полные потери напора:

- при

диаметре труб 1 м

- при

диаметре труб 2 м

Общий напор на водосбросном сооружении составляет 8,5 м, т.е. усло­вие ра­венства потерь напора в водосбросе дейст­вующему на­пору не вы­полняется ни в одном из расчетных случаев. Необходимо подобрать диаметр труб водосброса в диа­пазоне 1 - 2 м и повторить расчет.

Так как при диаметрах трубопроводы 1 и 2 метра условие не выполняется, произведём расчёт для труб диаметром 1,5 м

Определяем скорость в трубах:

Вход в трубу выполняем в виде рас­труба d =3,7. Площадь входно­го рас­труба со­ставляет 14,13 м² или 28,26 м² для 2-х растру­бов.

Скорость на входе в раструб будет:

Зная скорости, определяем коэффициент сопротивления на входе

Ширину водобойного колодца назначаем конструк­тивно с уче­том ширины выходного фронта водовода – 6,4 м. Глубина водобойного колодца принима­ется кон­структивно из условия затопления выходно­го сечения – 3,2 м.

Определяем коэффициент сопротивления на выходе в НБ:

Определяем коэффициент сопротивления по длине трубопровода:

Коэффициент сопротивления на поворотах трубопровода опре­деляем ς_пов =0,1 м, два поворота ς_пов =0,2 м.

Определяем полные потери напора:

Общий напор на водосбросном сооружении составляет 8,5 м, следовательно подбираем другой диаметр, d=1.7:

Определяем скорость в трубах:

Вход в трубу выполняем в виде рас­труба d =3,7. Площадь входно­го рас­труба со­ставляет 14,13 м² или 28,26 м² для 2-х растру­бов.

Скорость на входе в раструб будет:

Зная скорости, определяем коэффициент сопротивления на входе

Ширину водобойного колодца назначаем конструк­тивно с уче­том ширины выходного фронта водовода – 6,4 м. Глубина водобойного колодца принима­ется кон­структивно из условия затопления выходно­го сечения – 3,2 м.

Определяем коэффициент сопротивления на выходе в НБ:

Определяем коэффициент сопротивления по длине трубопровода:

Коэффициент сопротивления на поворотах трубопровода опре­деляем ς_пов =0,1 м, два поворота ς_пов =0,2 м.

Определяем полные потери напора:

Потери на­пора в водосбросе близки по величине действующему напо­ру. Следо­вательно, для строительства во­до­сбросного сооружения могут быть применены трубы с внутренним диа­метром близким к 1,7 м. Оконча­тельно внутренний диаметр принимается по сорта­менту выпус­каемых труб.

7 ВОДОСПУСКИ. ВОДОВЬШУСКИ

Водоспускные сооружения устраиваются для полного или час­тичного опо­рож­нения водохранилища при ремонте плотины со сторо­ны верхнего бьефа, для промывки наносов, а также для освежения во­ды в рыбоводных прудах. Во­до­спускные сооружения устраиваются для пропуска небольших расходов из стальных, или чугунных рас­трубных и железобетонных труб, работающих как напорные.

Трубы водоспуска располагают непосредственно в основании плотины в наи­более пониженной части тальвега или вблизи него. Что­бы обеспечить проч­ность труб при осадке плотины и избежать фильт­рации вдоль труб уст­раивают диафрагмы, располагая их в местах сты­ков отдельных звеньев труб. Вокруг труб укладывают слой глины или глинобетона.

Для забора воды из водохранилища при плотинах устраивают водовы­пуски, при помощи которых вода подается в оросительные, обводнительные или де­ривационные каналы. Конструкция водовыпуска должна обеспечивать бес­пе­ребойную подачу воды и удобное обслуживание сооружения.

Трубы укладывают на подготовку из тощего бетона толщиной 30 - 40 см. Пе­ред засыпкой грунтом наружные поверхности всех эле­ментов сооружений покры­вают горячим битумом и опесковывают.

При расположении труб, в теле плотины вдоль их наружной поверхности мо­жет возникнуть фильтрация. Для предотвращения это­го трубу сверху и с бо­ков обкладывают мятой глиной или тяжелым суглинком, слоем не менее 0,5 м.

Для гашения энергии потока на выходе из труб водоспусков и водовыпус­ков устраивают водобойные колодцы или другие гасители энергии. При расходах до 4 м³ /с могут быть конструктивно назначена глубина колодца 0,3 - 0,5 м и длина 3 - 8 м.

Диаметр трубчатого водовыпуска или водовыпуска при подто­пленном вы­ход­ном отверстии определяют из формулы:

(9.1)

где μ - коэффициент расхода, принимаемый в пределах 0,4 - 0,6;

ω - пло­щадь по­пе­речного сечения трубы, м;

z - разность отметок уровней верхнего и ниж­него бьефов.

Коэффициент расхода определяется по формуле:

(9.2)

где Σς - сумма коэффициентов всех местных сопротивлений;

λ - коэффициент сопротивления трубопровода по длине;

l - длина трубопровода;

R - гидравли­че­ский радиус.

Пример

Определить диаметр трубы водовыпуска. Расчетный расход Q =2.22 м³ /с. Вы­ход­ное отверстие подтопленное. Отметка НПУ=107.5 м БС. Отметка дна отводящего канала -104,08 м БС. Длина трубо­провода водовы­пуска в основании плотины составляет l =42,77 м, h_к =1,55 м, z= 8,5 м.

Задаемся предварительно коэффициентом расхода μ =0,05.

Определяем пло­щадь поперечного сечения трубопровода:

где ς_вх - коэффициент сопротивления на входе в трубопровод, принима­ется 0,2;

ς_реш - коэффициент сопротивления сороудерживающей решетки, принимается 0,3;

ς_затв - коэффициент сопротивления затвора трубопровода, принимается 0,2;

ς_вых - коэффициент сопротивления на выходе в нижний бьеф, принимается 1.

Определяем гидравлический радиус:

Определяем коэффициент расхода по формуле (9.2):

Принятое предварительное и расчетное значение коэффициента расхода имеют значительное расхождение.

Задаемся предварительно коэффициентом расхода μ =0,55 и выполняем по­вторный расчет.

Определяем гидравлический радиус:

Определяем коэффициент расхода:

Окончательный диаметр трубопровода принимается близко к рас­чет­ному с учетом параметров типоразмеров труб, указанных в ГОСТ 10704 - 91 и ГОСТ 12586,1 - 83.

Для гашения энергии потока в конце трубы устанавливают во­добойный ко­лодец.

В соответствии с ГОСТ 10704 - 91 «Трубы стальные электросварные прямо­шов­ные» выбираем трубу с внешним диаметром 1020 мм, тол­щенной стенок 10 мм, вес одного погонного метра 249,08 кг. Длинна одной трубы 6 м из стали марки СтЗсп.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Проектирование гидротехнических сооружений / Волков И.М. Коно­ненко П.Ф., Федичкин И.К. и др.: Учебник и учебное пособие для высш. с.-х. учеб. за­ведений - М.: Колос, 1977. - 384 с.

2 Справочник по гидравлическим расчетам /Под ред. П.Г. Кисе­лева. - М.: Энергия, 1974. - 313 с.

3 Курсовое и дипломное проектирование по гидротехническим сооруже­ниям / Под ред. В.С. Лапшенкова - М.: Агропромиздат, 1989 - 448 с.