Выбор створа и описание компоновки сооружений гидроузла

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

ФГОУ ВПО Московский государственный университет

Природообустройства

Кафедра гидротехнических сооружений

Курсовой проект.

“ Гидроузел с плотиной из грунтовых материалов”.

Выполнила:Шелковникова Н.Н.

студентка 481гр.

Механического факультета

Проверил:Букреев В.П.

г. МОСКВА 2010.

О Г Л А В Л Е Н И Е

Паспорт гидроузла_____________________________________________________2

1. Выбор створа и описание компоновки сооружений гидроузла 3

2. Проектирование плотины из грунтовых материалов5

2.1. Выбор типа плотины5

2.2. Конструирование поперечного профиля плотины___________________6

2.2.1. Предварительное назначение коэффициентов заложения откосов___7

2.2.2. Конструирование гребня плотины______________________________8

2.3.Проектирование креплений откосов плотины___________________________9

2.3.1. Верховой откос_______________________________________________9

2.3.2. Низовой откос_______________________________________________10

2.4. Определение отметки гребня плотины_________________________________10

2.5. Проектирование и назначение дренажа_________________________________12

2.6. Проектирование обратных фильтров___________________________________14

2.6.1. Расчёт фильтрации в теле и основании плотины__________________17

2.7. Расчёт устойчивости низового откоса плотины__________________________19

3.Проектирование водосброса ___________________________________________20

3.1. Выбор и назначение трассы берегового открытого водосброса__________________21

3.2. Гидравлический расчёт водосбросного сооружения_____________________22

3.3. Конструирование и расчет подводящего канала________________________23

3.4. Гидравлический расчет быстротока__________________________________24

3.5 Оценка влияния аэрации на глубину потока в пределах транзитной части водосбросного сооружения_____________________________________________25

3.6. Назначение высоты стенок лотка быстротоков в пределах транзитной части и построение поперечного сечения быстротока_____________________________26

3.7.Назначение отметки дна водобоя____________________________________26

3.8. Определение длины отлёта струи (с отметки верха стенки падения до дна колодца)____________________________________________________________26

3.9 Расчёт сопряжённых глубин гидравлического прыжка при постоянной ширине водобоя и отсутствии гасителей_________________________________________27

3.10. Назначение параметров отдельных элементов водобоя_________________27

4. Расчёт пропуска строительных расходов_______________________________28

5.Расчет попуска полезных пропусков____________________________________30

6. Список используемой литературы _____________________________________31

Паспорт гидроузла

Наименование	Показатель
1. Водохранилище
Отметка ФПУ
Отметка НПУ
Отметка УМО
2.Плотина из грунтовых материалов
Тип	однородная песчаная плотина
Отметка гребня, м	112,4
Высота (максимальная)	12,4
Максимальный расход
Ширина по гребню
Категория дороги	IV
Заложение откосов	верховой m=3 низовой m=2
Тип крепления откосов:
Верховой	монолитные плиты
Низовой	одерновка в клетку, с посевом многолетних трав
Дренажные устройства:	Комбинированный
3. Водосбросное сооружение
Тип	открытый, береговой, регулированный водосброс
Регулятор:
количество пролетов, шт.
Ширина пролета
Гидромеханическое сооружение	плоский стальной затвор
Сопрягающее сооружение	быстроток с одним уклоном
Устройство для гашения энергии	колодец
Удельный расход в нижнем бьефе	0,5

Проектирование плотины из грунтовых материалов

Выбор типа плотины

Плотина – основное подпорное сооружение, предназначенное для создания напора в одном месте.

Плотины, в которых в качестве строительного материала используется грунт, называются грунтовыми.

Расчеты грунтовых плотин выполняются для строительного и эксплуатационного периодов при основном и особом сочетаниях нагрузок. Предварительно на основе данных о створе и районе строительства или аналогов принимается тип плотины и ее профиль, для которого задаются крутизна откосов, ширина берм, ширина гребня (последняя зависит от категории дороги), тип дренажа и крепление верхового откоса. Затем определяется отметка гребня плотины, проводятся фильтрационные расчеты, расчеты фильтрационной прочности плотины, основания и ПФУ, обратных фильтров, дренажей, переходных зон, устойчивости откосов, защитного слоя, крепление откосов.

Плотины из грунтовых материалов (земляные насыпные, земляные намывные, каменно-земляные и каменно-набросные) - наиболее распространенный тип водоподпорных сооружений - входят в состав большинства гидроузлов мелиоративного назначения. Для возведения плотин используют, как правило, местные грунты. Конструктивные решения поперечного профиля должны обеспечивать устойчивость плотины и ее основания при всех возможных условиях строительства и эксплуатации, а также нормальную работу противофильтрационных и дренажных устройств и всего сооружения в целом.

Выбор типа плотины в проектной практике осуществляется в соответствии с требованиями СНиП 2.06.05.84* на основании технико-экономического сравнения вариантов различных конструкций или типов плотин. Учитывая их многообразие и невозможности детального изучения в рамках данной работы всех вариантов существующий плотин, ограничимся рассмотрением плотин применительно к условиям учебного курсового проекта, а именно: долина реки сложена нескальными грунтами, т.е. исключается возможность возведения каменно-земляных и каменно-насыпных плотин из-за относительно большой сжимаемости основания и отсутствия каменных материалов в количестве, необходимом для возведения основных частей тела плотины; высота плотин не превышает 15 м; плотина возводится методом послойной отсыпки насухо с уплотнением.

В соответствие со сделанными оговорками в курсовом проекте могу рассмотреть варианты однородных земляных плотин в зависимости от имеющихся местных карьерных строительных материалов (п.6 задания на проектирование, в котором указаны типы имеющихся карьерных грунтов, местоположение карьеров и дальность транспортировки грунтов в тело плотины). При этом необходимо отметить, что предпочтение следует отдавать карьерам, расположенным в верхнем бьефе плотины, так как в этом случае снижаются до минимума затраты на рекультивацию карьеров и несколько повышается объем водохранилища. По возможности следует максимально применять грунты, залегающие вблизи створа, а также целесообразно более полное использование грунтов полезных выемок. Для тела плотины можно использовать практически все виды грунтов, за исключением грунтов, содержащих водорастворимые включения хлоридных солей более 5% по массе, а сульфатных или сульфатно-хлоридных - более 10%; не полностью разложившиеся органические вещества (остатки растений и т.п.) - не более 5% по массе или полностью разложившиеся органические вещества (в аморфном состоянии) - не более 8%. При обосновании и проведении необходимых защитных мероприятий эти грунты также допускаются к применению.

Из анализа геологического разреза по створу плотины (чертеж 2) видно, что дно реки устилает мелкий песок. Дно плотины подстилает 7 грунт – песок мелкий, выше дна реки расположен песок средней крупности, а также по левому и правому берегам реки. Эти грунты можно использовать для строительства плотины. Кроме того, это выгодно с экономической точки зрения, так как они являются местными строительными материалами. Также присутствуют карьерные крупнообломочные грунты. Строю однородную грунтовую плотину из мелкого песка.

Предварительное назначение коэффициентов заложения откосов

Откосы плотины должны быть устойчивыми во время ее строительства и эксплуатации при воздействии статических и динамических нагрузок, фильтрации, капиллярного давления, волн и др.Откосы могут потерять устойчивость из-за:

1 воздействия статических и динамических нагрузок от воды;

2 фильтрации воды;

3 капиллярного давления воды;

4 наличия ходов землеройных животных.

Коэффициент заложения (котангенс угла наклона откоса к горизонту) откосов плотин из грунтовых материалов зависит в основном от типа грунтов, формирующих верховую и низовую части плотины, типа грунтов основания и высоты плотины. Первоначально коэффициент заложения откосов назначается на основании опыта безаварийной работы различных типов плотин соответствующей высоты с характеристиками грунтов, аналогичных принятому для дальнейшего проектирования варианту плотины (см. пункт 2.1). Далее правильность предварительно принятых значений коэффициентов заложений откосов плотин проверяется расчетами устойчивости откосов.

Ориентировочно коэффициенты заложения откосов могут быть принять по нижеприведенным таблицам 1 и 2.

Коэффициенты заложения откосов плотин из грунтовых материалов

Таблица 1

Откос	Грунт тела плотины	Коэфициенты заложения откоса при расчетной высоте плотины, м
До 5	От 5 до 10	От 10 до 15
Верховой	Глинистые		2,5
Песчаные	2,5*; 2	3; 2,5**	3*
Низовой с дренажом	Глинистые	1,5	1,75	1,75
Песчаные

* - Для плотин, не имеющих экрана, или с тонким экраном.

** - Для плотин, верховой клин которых состоит из суглинков или супесей.

Коэффициенты заложения откосов плотин из грунтовых материалов

Таблица 2

Откос	Коэффициенты заложения откоса при высоте плотины, м
До 5	От 5 до 10	От 10 до 15	От 15 до 50
Верховой	2…2,5	2,25…2,75	2,5…3	3…5
Низовой	1,5…1,75	1,75…2,25	2…2,5	2,5…4

Для дальнейшего проектирования принимаю:

Н_пл=∇ ФПУ + 2 м - дна = 110 + 2 – 100 =12 м.

Заложение верхового откоса - т_h = 3 м

Заложение низового откоса - т_t = 2 м.

Верховой откос

Для защиты верхового откоса земляной плотины от разрушающего воздействия ветровых волн, льда, течения воды, атмосферных осадков и других факторов рекомендуется устраивать крепление. Крепление откосов следующих видов:

1 каменное (каменная наброска из несортированного камня),

2 бетонное и железобетонное (сборные и монолитные плиты с обычной и предварительно-напряженной арматурой),

3 асфальтобетонное,

4 биологическое (кустарники, травы).

Считаю нужным, что в данной плотине крепление верхового откоса надо сделать из сборных железобетонных плит.

Расчетная толщина сборных плит:

расчетная толщина плит

коэффициент запаса для сборных плит, равный 1,1

высота волны при 1 % обеспеченности, м

плотность воды равно 1, т /

плотность бетона равно 2,4, т /

заложениеоткоса

длинна волны

размер плиты между двумя смежными деформационными швами в направлении перпендикулярном уреза воды, м

Так как в проекте выполняем низконапорную плотину, то верхней границей основного крепления будет гребень плотины, т.е.∇ В.кр .=∇ Гр.пл. Отметку низа крепления находим из уравнений:

1)∇ Н. кр. =∇ УМО – 2h_1%умо

2)∇ Н. кр. =∇ УМО – 1,5∇_льда

и выбираем наибольшее значение.

h_1%умо – высота волны обеспеченности 1% при УМО;

∇_льда – толщина льда.

1)∇ Н. кр. = 105 – 2 ^.0,65 = 103,7

2)∇ Н. кр. = 105 – 1,5 ^.0,4=104,4

Назначение упора – предупредить возможность сдвига основного крепления по откосу и предохранить концевую часть покрытия от подмыва при воздействии волн.

Вид верхового откоса предоставлен на чертеже 5.

Низовой откос

Низовой откос плотин в зоне волновых и ледовых воздействий со стороны нижнего бьефа крепится так же, как верховой. Остальную часть низового откоса защищают от:

1 атмосферных воздействий и неорганизованного стока ливневых вод с гребня;

2 разрушения землеройными животными;

3 негативных воздействий в результате жизнедеятельности человека и животных.

Основным видом крепления низового откоса является биологический вид:

- залужение;

- одерновка сплошная;

- одерновка в клетку;

- гравийно-песчаная отсыпка.

Простые и дешевые способы крепления низового откоса – залужение и одерновка. Залужение вступает в силу после того, как укрепится корневая система трав; на это требуется много времени. Поэтому в данном проекте выбираем крепление низового откоса – одерновка в клетку.

Вид крепления представлен на чертеже 6 .

Таблица 4.

Береговой дренаж

Дренажи незатопляемых береговых участков плотины выполняются менее материалоемкими. Типы береговых дренажей: плоский горизонтальный дренаж, трубчатый дренаж.

Выбираем трубчатый дренаж, диаметр трубы 200 мм.

Трубчатый дренаж прокладывается на расстоянии от подошвы низового откоса равном 0,4…0,6 длины горизонтальной проекции низового клина плотины. Из приемной части дренажа вода отводится неперфорированными трубами-выпусками. По длине трубчатого дренажа через каждые 50…100 м устраиваются смотровые колодцы для контроля работы и ремонта дренажа.

Подбор обратных фильтров

Обратные фильтры располагаем на контакте дренажа и дренируемого тела плотины или основания. Для обратного фильтра используем имеющиеся карьерные грунты. Обратные фильтры допускается не устраивать при контакте дренажа с телом плотины, если оно сложено гравелистыми песками, гравийными грунтами и др. При расчете однослойного обратного фильтра используем следующие обозначения:

- размер фракции защищаемого грунта;

- размер фракции первого слоя обратного фильтра;

- коэффициент неоднородности защищаемого грунта;

- коэффициент неоднородности первого слоя обратного фильтра;

- коэффициент междуслойности.

Тело плотины – тело дренажа

Так как контактируют несвязный грунт тела плотины с несвязным грунтом тела дренажа, то необходимость устройства обратного фильтра будем проверять по 1 графику В.С. Истоминой (стр.134 рис.3.13[1]). Для этого вычисляем значения коэффициента неоднородности и коэффициента междуслойности .

Для грунта плотины № 7: Для грунта дренажа № 12:

При =19,56 и =11,34 точка пересечения находится в зоне II, то есть необходим обратный фильтр. Примем в качестве обратного фильтра грунт № 8

Для грунта № 8:

Для грунта № 7:

Точка с этими координатами попадает в зону допустимых значений, то есть является обратным фильтром, толщину примем 0,2 м.

Итак, грунт № 8 под действием фильтрационного потока может проникнуть в грунт № 12, заметим, что этот грунт несвязный, значит для его защиты может понадобиться дополнительный слой, где крупность ниже чем у грунта №12 и выше чем у №8, например грунт № 10.

Для грунта плотины № 10: Для грунта дренажа № 12:

Точка с этими координатами находится в допустимой зоне, значит является обратным фильтром для грунта №8 и №12.

Таблица для построения кривой депрессии

		7,9	7,5	7,1	6,2	5,7	4,8	4,3	3,7	3,2	2,6		1,4	0,7

По полученным результатам на поперечном профиле плотины наносим депрессионную кривую.

Фильтрационный расход через тело плотины определяется по формуле Дюпюи:

где - коэффициент фильтрации грунта тела плотины (принимается в соответствии с колонкой 8 таблицы задания на проектирование),

где - глубина воды перед плотиной при НПУ ( ),

- глубина воды со стороны нижнего бьефа при ( ),

Так как кривая депрессии приближается к низовому откосу ближе, чем на 2 м, то следует спроектировать дренаж в виде сочетания комбинированного дренажа.

Проектирование водосброса

При грунтовых плотинах для пропуска расходов половодья и дождевых паводков во избежание переполнения водохранилища, для пропуска льда, мусора из верхнего бьефа в нижний устраивают водосбросные сооружения. Выбор типа водосброса и его трассы обычно выполняется на основании технико-экономического сравнения различных вариантов.

Работа по проектированию водосбросного тракта в курсовом проекте начинается с выбора трассы водосброса на генплане гидроузла, после того как плотина в принципе запроектирована.

До начала проектирования водосброса необходимо вписать плотину из грунтовых материалов в местность.

Выбор типа водосброса

При разработке курсового проекта выбор типа водосброса и его трассы производится на основании сравнения достоинств и недостатков различных вариантов водосброса с учётом исходных данных: расчётного максимального и строительного расходов, возможной форсировки уровня водохранилища, топографических, геологических условий, а так же высоты и типа плотины.

Классификация водосбросов.

1. По расположению в узле сооружений: водосбросы в теле плотины; водосбросы береговые (вне тела плотины)

2. По типу оборудования водосливной части: регулируемые; нерегулируемые (автоматические)

3. По конструктивному оформлению: трубчатые; береговые; открытые; сифонные; траншейные; шахтные; туннельные

Учитывая большое разнообразие водосбросных гидротехнических сооружений и невозможность детального изучения каждого из них в рамках данной работы, в дальнейшем рассмотрим один из самых распространенных типов водосбросов при грунтовой плотине - вариант открытого берегового водосброса.

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

ФГОУ ВПО Московский государственный университет

Природообустройства

Кафедра гидротехнических сооружений

Курсовой проект.

“ Гидроузел с плотиной из грунтовых материалов”.

Выполнила:Шелковникова Н.Н.

студентка 481гр.

Механического факультета

Проверил:Букреев В.П.

г. МОСКВА 2010.

О Г Л А В Л Е Н И Е

Паспорт гидроузла_____________________________________________________2

1. Выбор створа и описание компоновки сооружений гидроузла 3

2. Проектирование плотины из грунтовых материалов5

2.1. Выбор типа плотины5

2.2. Конструирование поперечного профиля плотины___________________6

2.2.1. Предварительное назначение коэффициентов заложения откосов___7

2.2.2. Конструирование гребня плотины______________________________8

2.3.Проектирование креплений откосов плотины___________________________9

2.3.1. Верховой откос_______________________________________________9

2.3.2. Низовой откос_______________________________________________10

2.4. Определение отметки гребня плотины_________________________________10

2.5. Проектирование и назначение дренажа_________________________________12

2.6. Проектирование обратных фильтров___________________________________14

2.6.1. Расчёт фильтрации в теле и основании плотины__________________17

2.7. Расчёт устойчивости низового откоса плотины__________________________19

3.Проектирование водосброса ___________________________________________20

3.1. Выбор и назначение трассы берегового открытого водосброса__________________21

3.2. Гидравлический расчёт водосбросного сооружения_____________________22

3.3. Конструирование и расчет подводящего канала________________________23

3.4. Гидравлический расчет быстротока__________________________________24

3.5 Оценка влияния аэрации на глубину потока в пределах транзитной части водосбросного сооружения_____________________________________________25

3.6. Назначение высоты стенок лотка быстротоков в пределах транзитной части и построение поперечного сечения быстротока_____________________________26

3.7.Назначение отметки дна водобоя____________________________________26

3.8. Определение длины отлёта струи (с отметки верха стенки падения до дна колодца)____________________________________________________________26

3.9 Расчёт сопряжённых глубин гидравлического прыжка при постоянной ширине водобоя и отсутствии гасителей_________________________________________27

3.10. Назначение параметров отдельных элементов водобоя_________________27

4. Расчёт пропуска строительных расходов_______________________________28

5.Расчет попуска полезных пропусков____________________________________30

6. Список используемой литературы _____________________________________31

Паспорт гидроузла

Наименование	Показатель
1. Водохранилище
Отметка ФПУ
Отметка НПУ
Отметка УМО
2.Плотина из грунтовых материалов
Тип	однородная песчаная плотина
Отметка гребня, м	112,4
Высота (максимальная)	12,4
Максимальный расход
Ширина по гребню
Категория дороги	IV
Заложение откосов	верховой m=3 низовой m=2
Тип крепления откосов:
Верховой	монолитные плиты
Низовой	одерновка в клетку, с посевом многолетних трав
Дренажные устройства:	Комбинированный
3. Водосбросное сооружение
Тип	открытый, береговой, регулированный водосброс
Регулятор:
количество пролетов, шт.
Ширина пролета
Гидромеханическое сооружение	плоский стальной затвор
Сопрягающее сооружение	быстроток с одним уклоном
Устройство для гашения энергии	колодец
Удельный расход в нижнем бьефе	0,5

Выбор створа и описание компоновки сооружений гидроузла

Гидроузлом называют группу гидротехнических сооружений, объединенных условиями совместной работы и местоположения.

Гидротехническими называются сооружения, предназначенные для использования природных водных ресурсов (рек, озёр, грунтовых вод) или предотвращения (уменьшения) вредного воздействия воды на окружающую среду (борьбы с наводнением, размывами берегов, защита от селевых потоков).

В состав гидроузла входят:

1 Грунтовая плотина

2 Паводковый водосброс

3 Водовыпуск полезных попусков

Проектируемый в курсовом проекте гидроузел с плотиной из грунтовых материалов служит для решения комплекса водохозяйственных задач, в частности это:

- создание водохранилища, в котором происходит аккумулирование избыточных расходов реки, например, в период паводков, что способствует снижению ущерба от наводнений в нижнем бьефе гидроузла;

- осуществление полезных попусков воды в русло реки, обеспечивающие создание живого тока воды в меженный период и улучшающие водообеспечение прилегающих территорий;

- подача воды потребителю (водоснабжение и обводнение, гидротехнические мелиорации и т.д.);

- создание зон рекреации;

- развитие рыбного хозяйства и т.д.

Компоновка гидроузла включает в себя выбор створа плотины, трасс к месторасположения водопропускных сооружений. Она должна быть наиболее простой и удобной для возведения и эксплуатации гидроузла при минимальных затратах. В соответствие с заданием в состав гидроузла входят: плотина из грунтовых материалов, паводковый водосброс и водовыпуск для подачи воды в нижний бьеф. Типы сооружений и их особенности описываются далее в соответствующих разделах.

Выбор створа гидроузла обычно осуществляется на основе технико-экономического сравнения нескольких вариантов компоновки в зависимости от рельефа и других условий района строительства. При выборе створа плотины учитываются многочисленные факторы, в числе которых определяющими являются: топографические характеристики речной долины и ложа водохранилища, инженерно-геологические и гидрологические условия, местоположение и объем карьеров строительных материалов, технология строительства плотины, а также возможность рационального размещения постоянных и временных водопропускных сооружений.

В курсовом проекте принимается, что инженерно-геологические и гидрологические характеристики в любом сечении долины реки не изменяются (характерное сечение долины реки представлено в п. 4 задания на проектирование, где дано геологическое строение долины с цифровыми обозначениями грунтов, номерам которых соответствуют грунты, характеристики и гранулометрический состав которых также приведены в задании на проектирование).

В данном проекте створ плотины выбираем в самом узком месте речной долины, что обеспечит минимальный объем насыпи грунтовой плотины и, соответственно, меньшую стоимость плотины, с учетом рационального размещения водопропускных сооружений гидроузла.

Створ – ось относительно, которой располагается остальные сооружения.

Для этого на топографическом плане речной долины, прилагаемом к заданию, намечаем вариант створа, предусматриваемый в месте сужения долины и трассируемый перпендикулярно преимущественному направлению горизонталей.

Чаще всего наименьший объем тела плотины соответствует минимальной длине плотины по гребню, поэтому на обоих берегах реки наносим горизонтали местности (эти горизонтали проведены штриховыми линиями на плане долины, соответствующие отметке гребня будущей плотины ( Гp), которую предварительно определяем по формуле:

где ФПУ - форсированный подпорный уровень водохранилища, при котором осуществляется пропуск поверочного расхода паводкового водосброса; отметка ФПУ приведена в колонке 2 таблицы пункта № 5 задания на проектирование;

- запас (в метрах) гребня плотины над форсированным подпорным уровнем водохранилища. Предварительно определяем величину по приближенной эмпирической формуле:

L - длина разгона ветровой волны, подставляемая в формулу в километрах, принимается для отметки ФПУ из колонки 3 таблицы п. № 5 задания на проектирование.

После этого на данной стадии проектирования устанавливаем длину по гребню плотины для различных вариантов створа с учетом масштаба топографической основы (масштаб указывается под топографическим планом или обводится кружком, если указано несколько масштабов). На топографии речной долины имеется одно сужение долины, благоприятное для размещения плотины.

После выбора створа на топографическую основу наносятся пикеты и строится на миллиметровке продольный профиль по выбранному створу плотины, на котором приводится геология, принимаемая согласно заданию на проектирование, и условные обозначения грунтов. Построение продольного профиля по створу плотины выполняется таким образом, чтобы с левой стороны располагался левый берег долины, а с правой стороны - правый берег. В дальнейшем на этот профиль наносятся: проектный и строительный гребень плотины, контур подошвы плотины и противофильтрационных устройств в основании, водопропускные сооружения. Этот профиль допускается выполнять в искаженном масштабе: горизонтальный масштаб профиля принимается равным масштабу генплана гидроузла или более крупному, а вертикальный - 1:100... 1:500 в зависимости от высоты плотины. Чертеж 1.