Расчет водохранилищного гидроузла

б) когда уровень  воды в водохранилище находится  на отметке ФПУ, тогда определяется превышение

Уровень воды на отметке  НПУ

Высота ветрового  нагона волны водохранилища определим  по формуле

,                                (3.3)

где k_W – эмпирический коэффициент, зависящий от скорости ветра, принимаем равный 2,110^-6;

V_W – расчетная скорость ветра на высоте 10 м над уровнем воды на отметке НПУ, V_W=14 м/с;

L – длина водохранилища по направлению господствующего ветра, L=3000 м;

β – угол между осью водохранилища и господствующим направлением ветра, β=55^о;

H – глубина воды в ВБ при заполнении водохранилища до отметки НПУ, H=8,0м.

 

Сокращая полученное квадратное уравнение и решая  его относительно Δh_set, получим один положительный корень, т.е. Δh_set=0,009 м.

Для определения коэффициента K_run и высоты волны h_1% определим значение безразмерных коэффициентов * и τ по формулам:

 

  

 

где t – продолжительность действия ветра, равна 6 ч. или 21600 с.

 

По огибающей  кривой графика (рисунок 4) находим значения коэффициентов ε и η :

ε₁=1,81    η₁=0,023

ε₁=4,48    η₁=0,095

К расчету принимаем  минимальные значения, т.е. ε₁=1,81 и η₁=0,023, тогда определяем:

• период волны

 

 

• среднюю длину волны

 

 

• высоту волны

 

 

Так как H ≥ 0,5∙λ_гл т.е. 8,0 > 0,5∙10,4, имеем глубоководную зону, и высота волны h_1% (1% обеспеченность принята потому, что материал крепления верхового откоса – железобетонные плиты) и средняя длина волны определяется из условия

 

где K_i – коэффициент, определяемый по графику (рисунок 6) в зависимости от значения и расчетной 1% обеспеченности высоты волны. Зная по рисунку 3 находим K_run = 1,42 . Коэффициент K_sp для заложения верхового откоса m₁ = 3 и расчетной скорости ветра 14 м/с по таблице 5 находим K_sp=1,26 . Значения коэффициентов K_p, K_r зависят от типа крепления верхового откоса (при креплении железобетонными плитами) по таблице 4 соответственно находим – K_p=0,9 и K_r=1,0. Подставляя все полученные значения, определим высоту наката волны 1% обеспеченности

 

 

Превышение отметки  гребня плотины над уровнем воды в водохранилище при НПУ определится

 

Тогда отметка  гребня плотины определяется

 

Уровень воды на отметке  ФПУ

Высоту ветрового  нагона волны водохранилища определим  по формуле:

 

где V_W – расчетная скорость ветра на высоте 10 м над уровнем воды на отметке ФПУ, V_W=10 м/с;

H – глубина воды в ВБ при заполнении водохранилища до отметки ФПУ,         H = ФПУ – Дна.= 156,9-148,0 = 8,9м.

Решая полученное квадратное уравнение относительно Δh_set , получим один положительный корень, т.е Δh_set=0,0041 м.

Определяем значения безразмерных коэффициентов

 

 

По значения безразмерных коэффициентов по огибающей кривой графика (см. рисунок 4) определяем значения промежуточных коэффициентов:

ε₁=2,18    η₁=0,029

ε₁=4,60    η₁=0,105.

К расчету принимаем  минимальные значения, т.е. ε₁=2,18 и η₁=0,029, тогда определяем:

• период волны

 

• среднюю длину  волны

 

• высоту волны

 

Так как H ≥ 0,5∙λ_гл т.е. 8,9 > 0,5∙7,7, имеем глубоководную зону, и высота волны h_1% (1% обеспеченность принята потому, что материал крепления верхового откоса – железобетонные плиты) и средняя длина волны определяется из условия

 

 

Зная по рисунку 3 находим K_run = 1,44 . Коэффициент K_sp для заложения верхового откоса m₁ = 3 и расчетной скорости ветра 10 м/с, находим по таблице 5, K_sp=1,1 . Значения коэффициентов K_p, K_r принимаются аналогичные, соответственно – K_p=0,9 и K_r=1,0. Подставляя все полученные значения, определим высоту наката волны 1% обеспеченности

 

Превышение отметки  гребня плотины над уровнем воды в водохранилище при ФПУ определится

 

Тогда отметка  гребня плотины определяется

 

Окончательно  принимаем максимальную отметку  гребня плотины из двух полученных значений

 

3.2 Проектирование поперечного профиля плотины

 

Грунтовой плотиной называют водоподпорное сооружение, возводимое из однородных или неоднородных по механическому составу грунтов.

Плотины из грунтов находят самое широкое применение в практике гидротехнического строительства. Они являются основным сооружением в водохранилищных гидроузлах, а также входят в состав речных гидроузлов любого назначения, когда создается разность уровней бьефов.

В качестве материалов для возведения плотины в работе используют любые из связных и несвязных грунта естественного происхождения, чаще всего суглинки и супеси, а также мелкие и средней крупности пески, обладающие допустимой по водохозяйственным расчетам фильтрационной способностью и достаточной прочностью, за исключением:

• содержащих водорастворимые включения хлоридных солей – более 5% по массе, сульфатных или сульфатно-хлорных – более 10% по массе;
• содержащих не полностью разложившиеся органические вещества (например, остатки растений) – более 5% по массе или не полностью разложившиеся органические вещества, находящиеся в аморфном состоянии, – более 8% по массе.

Так как на месте строительства  в достаточном количестве имеется  супесь, которая вполне пригодна для насыпки тела плотины, и глина, которая пригодна для устройства ядра в теле плотины, то данным проектом предусматривается грунтовая плотина из супеси. Так как грунт тела плотины является хорошо водопроницаемым грунтом, коэффициент фильтрации супеси меньше единицы, то для уменьшения фильтрационного расхода через плотину и основание, снижение депрессионной кривой с целью повышения устойчивости низового откоса и уменьшения уклона фильтрационного потока с целью предотвращения фильтрационных деформаций грунта в теле предусматриваем – ядро из грунта первого слоя глины, шириной по верху 1,0м и по низу – 4,0м. Расстояние от гребня плотины до верхней границы ядра принимаем ниже глубины промерзания, но выше отметки ФПУ, т.е. 1,2м.

Очертание откосов грунтовых плотин необходимо назначать исходя из условий их статической устойчивости. Однако такие расчеты можно выполнить только после того, как задан профиль плотины и на основании фильтрационных расчетов построена кривая депрессии.

Это обстоятельство заставляет предварительно задаваться заложением откосов, а затем расчетом подтверждать их статическую устойчивость. Принимаем коэффициент заложения верхового откоса m₁ = 3,0, а низового      m₂ = 2,5, по таблице 2 .

            Т. к. в курсовом проекте высота плотины до 10 м, то её откосы проектируем с постоянным коэффициентом заложения по длине откоса.

Крепление откосов земляных плотин устраивают для защиты их от размыва течением воды или ее волнового действия, разрушения льдом, размыва дождевыми и талыми водами, стекающими по откосам плотины, и других разрушающих откосы факторов.

Крепление верхового откоса плотины делят на основное, расположенное  в зоне максимальных волновых и ледовых воздействий, возникающих в эксплуатационный период, и облегченное – ниже или выше основного крепления.

Верхнюю границу основного  крепления (ВГК) чаще всего назначают  на отметке гребня плотины. В случае значительного возвышения гребня плотины над расчетным уровнен воды, основное крепление заканчивают ниже гребня плотины на отметке высоты наката волны h_1% и далее до гребня доводят крепление в облегченном виде.

Нижнюю границу основного  крепления (НГК) назначают ниже минимального уровня сработки водохранилища на глубине, равной двойной высоте волны.

Вид крепления устанавливают  исходя из технико-экономической оценки вариантов с учетом максимального  использования средств механизации  и местных материалов, характера грунта тела плотины и основания, агрессивности воды, долговечности крепления в условиях эксплуатации.

Для крепления верхового  откоса наиболее часто применяют  сборные и монолитные железобетонные покрытия, каменную наброску и несколько  реже - асфальтобетонное и биологическое  крепление.

В данном курсовом проекте  принимаем крепление верхового  и низового откосов – железобетонными  плитами.

Грунтовые плотины высотой 6...8м, как правило, оборудуются дренажами. Они служат для понижения кривой депрессии, предотвращения выхода фильтрационного  потока на низовой откос приема и  отвода профильтровавшейся воды через  тело плотины в нижний бьеф. Исходя из выполняемых задач, дренаж должен иметь две основные части: приемную – в виде обратного фильтра из одного или нескольких слоев, который обеспечивает поступление фильтрационного потока и предупреждает фильтрационные деформации; отводящую – в виде водосборных и водоотводящих элементов. Слои обратного фильтра обычно имеют толщину 0,25...0,3м.

При наличии на месте строительства  камня, дренаж делают в виде призмы из каменной наброски, которая кроме основного своего назначения служит упором низового откоса плотины. В курсовом проекте принимаем дренаж по типу каменной призмы.

Коэффициент заложения внутреннего откоса призмы принимаем           m₃ = 1,75 , а наружного – m₄ = 1,5. Ширину призмы поверху назначаем 2 м.

 

3.3 Фильтрационный расчет

 

Под влиянием напора, создаваемого плотиной, из верхнего бьефа  в нижний происходит фильтрация через  тело плотины и ее основание. Основными  задачами фильтрационных расчетов, является определение удельного и общего расхода фильтрации, положения кривой депрессии и оценка фильтрационной прочности грунтов основания  и тела плотины.

При фильтрационных расчетах принимаем следующие допущения: фильтрацию рассматриваем в одной  плоскости, грунт тела плотины считаем  однородно-анизотропным, водоупор считается  теоретически водонепроницаемым, положение  кривой депрессии не зависит от качества грунта, а определяется только геометрическими  размерами тела плотины.

Запроектированный поперечный профиль грунтовой плотины приводим к расчетной схеме (рисунок 1), в которой исключаем отдельные мелкие детали (допустим, наличие и вид противофильтрационного устройства, отметку гребня плотины, конструкцию крепления верхового откоса и т.п.). В верхнем бьефе за расчетный принимаем , а в нижнее бьефе – бытовой уровень воды на отметке , при котором будет наблюдаться установившейся расход фильтрационного потока в теле плотины.

 

  Рисунок 1. Поперечный профиль запроектированной грунтовой плотины.

Расчет выполняем  в следующей последовательности:

1. Находим положение раздельного сечения по формуле Г.К. Михайлова:

 

2. Аналитическим расчетом, по расчетной схеме к  фильтрационному расчету (рисунок 1), определяем длину проекции кривой депрессии на горизонтальную ось:

 

3. Так как в теле плотины имеется противофильтрационное  устройство – ядро, то приводим плотину  к однородной (метод виртуальных  длин). Для этого определим размеры  эквивалентного слоя:

 

где δ_в, δ_н – толщина противофильтрационного устройства в верхней и нижней частях;

k_я, k_m – коэффициенты фильтрации ядра и тела плотины.

 

Тогда виртуальная  длина проекции кривой депрессии  на основание:

 

4. Величину удельного  фильтрационного расхода q_m находят из уравнения:

 

 

Тогда q_m = 0,384 ∙ k_m = 0,384 ∙ 0,05 = 0,019 м³/сут.

5. Положение кривой депрессии определяют по уравнению:

 

 

Для построения кривой депрессии находим координаты точек, расчет сводим в табл. 3.1.

Таблица 3.1 Расчет координат депрессии кривой

X, м	80,05	77	74	71	68	65	62
Y, м	1,6	2,21	2,68	3,08	3,43	3,75	4,05

 

По полученным координатам строим кривую депрессии.

Проверим фильтрационную прочность грунтов тела плотины  и основания по значению выходного  градиента:

 

где Δh – падение напора фильтрационного потока на линейном участке Δl;

l_к – критический градиент, который определяется строительными нормами, для супеси – l_к = 0,60.

 

Так как условие выполняется, то фильтрационная прочность грунтов  тела плотины и основания будет  обеспечена.

 

 

3.4 Статический расчет низового откоса плотины

 

Низовой откос плотины  больше всего является подверженным обрушению (сползанию), поэтому необходимо выполнить статический расчет его  устойчивости. Для этого вычерчиваем  поперечный профиль плотины в  одинаковом вертикальном и горизонтальном масштабе (1:200) с указанием положения  кривой депрессии (рисунок 2).

Расчет устойчивости откосов  ведем на 1м длины плотины. При  определении коэффициента запаса все  силы переносим на поверхность скольжения, кроме фильтрационной, которую учитываем  как объёмную. Расчет выполняем методом  круглоцилиндрических поверхностей скольжения графоаналитическим способом в следующей  последовательности: