Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»

Кафедра «Гидротехнические сооружения»

Курсовой проект

Гидроузел с плотиной из грунтовых материалов

Пояснительная записка

МГУП – 28 – 420

Студент Константинов Александр Александрович

Преподаватель Евдокимова Ирина Моисеевна

Москва 2012

1. Проектирование плотины из грунтовых материалов

   1. Выбор створа плотины

Проектируемый в курсовом проекте гидроузел с плотиной из грунтовых материалов служит для решения комплекса водохозяйственных задач. В число этих задач входит:

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

• осуществление полезных пропусков воды в русло реки, обеспечивающих создание живого тока воды в меженный период и улучшающих водообеспечение прилегающих территорий;

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

• создание зон рекреации;

• развитие рыбного хозяйства и т.д.

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 гидрогеологические условия, местоположение и оббьем карьеров строительных материалов, технология строительства плотины, а также возможность рационального размещения постоянных и временных водопропускных сооружений.

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

Створ плотины следует выбрать 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. Чаще всего наименьший объем тела плотины соответствует минимальной длине плотины по гребню.

2. Выбор типа плотины

Плотину проектируем однородную с дренажем из грунтов, имеющихся в створе плотины или в близ лежащих карьерах (из супеси – грунт № 5)см. бланк задания.

3. Конструирование поперечного профиля плотины

   1. Предварительное назначение отметки гребня плотины

Отметку гребня будущей плотины ( ) можно определить по формуле:

=110.0 + 1.5 = 111.5 м, где

- отметка нормального подпорного уровня воды в водохранилище; - запас высоты воды гребня плотины над отметкой нормального подпорного уровня воды в водохранилище, =1.5 м.

2. Заложение откосов 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. Далее правильность предварительно принятых значений коэффициентов заложений откосов плотин проверяется расчетами устойчивости откосов.

Назначение заложения откосов плотины по рекомендациям /1/, стр. 108, табл.3.2.

Принимаем заложение верхового откоса - m_h=3.0,

низового откоса – m_t=2.0.

3. Предварительное назначение отметки гребня плотины

Определение отметки гребня плотины с учетом его возвышения над расчетным уровнем воды производится в соответствии с /2/ для двух уровней стояния воды в верхнем бьефе:

1. При НПУ (I расчетный случай);

2. При ФПУ (II расчетный случай).

В любом случае превышение отметки гребня над отметкой расчётного статического уровня воды в водохранилище h_s определяется по формуле:

h_s = h_set+h_run1%+a, где

h_set - высота ветрового нагона волны, м; h_run1% - высота наката ветровых волн обеспеченностью 1%, м; а – конструктивный запас, м (для IV класса сооружения а=0.5м).

В соответствии со схемой к определению отметки гребня плотины (/3/ стр.166)

I. + h_{s НПУ} = ГП_НПУ

II. + h_{s ФПУ} = ГП_ФПУ

1 – расчетный уровень

2 – верховой откос плотины

Определение основных элементов волны в глубоководной зоне

Исходные данные:
№ п/п		НПУ	ФПУ	УМО
1	Отметка расчетного уровня ( РУ), м	109.0	110.0	104.0
2	Отметка дна ( дна), м	100.0	100.0	100.0
3	Длина разгона ветровой волны L, м	1100	1300	700
4	Угол между продольной осью водоема и направлением ветра α, град	0	0	0
5	Расчетная скорость ветра Vw, м/с	23	19	18
6	Обеспеченность по накату, %	1	1	-
7	Непрерывная продолжительность действия ветра t, с	21600	21600	21600
8	Расчетная глубина воды перед плотиной d= - , м	9.0	10.0	4.0
Расчет
1		9213	11152.4	11772
2		20.4	35.3	21.19
3	(по графику /4/) принимаем меньшую из пар	0.079 0.0085	0.09 0.011	0.095 0.0086
4	(по графику /4/)	3.9 0.98	4.3 1.19	4.45 1.0
5	Средний период для волны = * , с	2.3	2.3	1.83
6	Средняя высота для волны = * , м	0.46	0.4	0.28
7	Средняя длина волны = , м	8.26	8.26	5.2
8	Проверка глубоководности водоема	0.5 < d
		4.13<9	3.99<10	5.2<4.0
9	Кi (принимается по /1/ стр.112, рис.3.3.)	2.06	2.06	2.06
10	Высота волны 1% обеспеченности = Кi * , м	0.95	0.82	0.58
11	Пологость волны /	8.69	10.07	-
12	Кr (крепление откосов ж/б плитами)	1	1	-
13	Кр (крепление откосов ж/б плитами)	0.9	0.9	-
14	Кsp (/1/ стр.112, табл.3.6 при и mh)	1.5	1.46	-
15	Кrun (/1/ стр.113, рис.3.4 при / и mh)	1.2	1.2	-
16	Высота наката волн 1% обеспеченности hrun1% = Кr * Кr * Кsp * Кrun * , м	1.54	1.29	-
17	Высота ветрового нагона hset= *cosα, м	0.01	0.0096	-
18	Конструктивный запас а, м	0.5	0.5	-
19	Запас гребня над расчетным уровнем hs=hset+hrun1%+a, м	2.05	1.8	-
20	Отметка гребня Гр=РУ+ hs, м	111.05	111.8

По наиболее неблагоприятному случаю принимаем отметку гребня плотины

=111.8 м

4. Конструкция гребня плотины

Гребень плотины конструируется , исходя и условия производства работ и эксплуатации плотины. Ширина гребня устанавливается в зависимости от категории прокладываемой по гребню дороги (категория дороги не зависит от класса плотины) в соответствии с /1/ стр.106, табл.31.

Выбираем III категорию дороги, при которой:

• Ширина проезжей части – 6 м;

• Ширина обочин – 2 м;

• Ширина гребня – 10 м.

Для стока поверхностных вод в поперечном направлении покрытию гребня придается двухсторонний уклон i=0.002. В пределах обочин предусматривается устройство ограждений из сигнальных столбиков различной конструкции.

Т.к. высота плотины Н 10 м, то на верховом откосе предусматривается устройство берма на наинизшей отметке, исходя из двух условий:

Б = УМО – 2 =104.0 – 1.16 = 102.84 м,

Б = УМО – 1.5 =104.0 – 1.4 = 102.6 м,

Принимаем отметку бермы Б =102.6 м и ширину проезжей части для обслуживающей техники b_б = 2м.

Отвод поверхностных вод с гребня плотины предусматривается в соответствии с категорией дороги. Отвод воды с берм низового откоса осуществляется с помощью водоотводных канав, закрепленных щебнем. Далее поверхностный сток отводится в водоотводные канавы, проложенные вдоль подошвы низового откоса плотины.

Конструкция гребня плотины показана на рис.1

5. Конструкция крепления откосов

От ветрового, волнового воздействия откосы плотины защищают креплениями, границы которого доводятся до бермы. В расчет крепления входит определение толщины крепления и подбор подготовки под него.

Т.к. в карьерах отсутствует каменный материал с необходимым зерновым составом крепление верхового откоса выполняем из железобетонных плит.

Толщина плиты крепления:

t = 0.07 * = 0.07*1.1*0.95 * =0.009 м

где - коэффициент запаса, для сборных плит =1.1; - высота волны 1% обеспеченности при НПУ; - удельный вес бетона и воды, ; - заложение верхового откоса; - средняя длина волны при НПУ; - длина ребра плиты, перпендикулярная урезу воды.

Минимальная толщина применяемых для крепления откосов плит t=0.15 0.20 м. Поэтому принимаем толщину плит t=0.2 м.

Верхнюю границу крепления верхового откоса доводим до гребня плотины, нижнюю – до бермы. Верховой откос бермы снабжаем облегченным креплением из гравия.

В пределах волновых воздействий нижнего бьефа роль крепления низового откоса выполняет дренажная призма из крупнообломочных грунтов. Остальную часть откоса защищаем от атмосферных воздействий (от размыва дождевыми водами) посевом многолетних трав по слою растительного грунта толщиной 0.2 м. Для того, чтобы избежать смыва растительного слоя до того, как сформируется развитая корневая система применяем залужение в дерновых клетках.

Конструкция крепления откосов показана на рис.

6. Противофильтрационные устройства

Для уменьшения фильтрационного расхода, понижения кривой депрессии в теле плотины, недопущения фильтрационных деформаций грунта плотины и основания, для повышения устойчивости низового откоса грунтовой плотины используем противофильтрационные устройства. Поскольку грунтовые материалы имеются вблизи места строительства гидроузла, то проектируем ПФУ из слабоводопроницаемого грунта.

Т.к. глубина залегания водоупора Т=7м, то проектируем замок со шпунтом с врезкой в водонепроницаемый на 0.5 м расположенным по оси плотины.

Сопряжение тела грунтовой плотины с основанием должно обеспечиваться отсутствием контактной фильтрации между подошвой плотины и основанием. Тело плотины отсыпаем на специально подготовленное основание. Для этого снимаем верхний растительный слой грунта на глубину 0.5 м.

Конструкция противофильтрационного устройства показана на рис.1

7. Дренажные устройства

Дренажное устройство состоит из приемной и отводящей частей. Приемная часть выполнена в виде обратного фильтра, в качестве отводящей используем крупнообломочные грунты тела дренажа.

Т.к. имеется достаточное количество каменного материала проектируем дренажную призму– дренажный банкет.

Отметка верха дренажной призмы должна превышать отметку максимального уровня нижнего бьефа на величину а = 0.5 -1.0 м, т.е. Д = УНБ_max + 0.7 м=102.8 + 0.7 = 103.5 м. Ширину дренажной призмы поверху из условия производства работ принимаем В_др =3м. Коэффициент заложения внешнего откоса принимаем m_t’=1, внутреннего – m_h’=1.

8. Подбор обратных фильтров

Для устройства обратных фильтров дренажа применяем несвязные естественные грунта.

Требования, предъявляемые к обратным фильтрам:

• Отсутствие опасности для прочности и устойчивости фильтра механической суффозии в фильтре;

• «самозалечивание» трещин в глинистых грунтах ПФУ;

• Отсутствие просыпания и выпора частиц скелета фильтра в более крупнозернистые слои фильтра или материала дренажа;

• Некольматируемость фильтра мелкими частицами, выносимыми фильтрационным потоком из защищаемого грунта;

Принимаем толщину одного слоя обратного фильтра 0.3 м.

Расчетный случай.

1. Грунтовое тело плотины – грунт №5 – супесь

Грунт основания – грунт №11 – крупнообломочный гравийный

Грунт дренажного банкета – грунт №11 – крупнообломочный гравийный

2. Параметры и кривые гранулометрического состава карьерного грунта представлены в бланке задания.

d₁₀ = 0.007

d ₅₀ = 0.15

d ₆₀ = 0.20

d₁₀ = 0.35

d ₅₀ = 2.25

d ₆₀ = 3.30

3. Расчетом определяем:

1. Применимость карьерного грунта для фильтра из условия фильтрационной прочности сопрягающихся грунтов в месте контакта;

2. Непросыпаемость предыдущего слоя в последующий.

Примем для обозначения диаметров защищаемого грунта – d, для защищающего – D.

1. Подбор обратного фильтра на контакте тела плотины и обратного дренажа:

Назначаем для обратного фильтра грунт №9 – крупный песок и проверяем контакт №5 и №9.

d₁₀ = 0.007

d ₅₀ = 0.15

d ₆₀ = 0.20

D₁₀ = 0.16

D ₅₀ = 0.80

D ₆₀ = 1.20

• Коэффициент неоднородности для защищающего грунта (9):

=7.5

• Коэффициент межслойности для (5) и (9):

=5.3

По графику В.С. Истоминой в соответствии с полученными координатами /1/ стр.134, рис.3.13 попадаем в зону ниже раздельной линии графика, значит грунт пригоден на этом контакте.

Проверка на непросыпаемость (5) в (9):

d₁₀ < / 0.007 < 0.80/0.15=5.3

при пористости n=0.35 (бланк задания) =0.15

где - коэффициент, учитывающий пористость грунта, /1/, стр.136,рис.3.14.

2. Подбор обратного фильтра на контакте обратного дренажа и дренажного банкета:

Проверяем контакт №9 и №11.

d₁₀ = 0.16

d ₅₀ = 0.80

d ₆₀ = 1.20

D₁₀ = 0.35

D ₅₀ = 2.25

D ₆₀ = 3.30

• Коэффициент неоднородности для защищающего грунта (11):

=1.5

• Коэффициент межслойности для (9) и (11):

=2.8

По графику В.С. Истоминой в соответствии с полученными координатами попадаем в зону ниже раздельной линии графика, значит грунт пригоден на этом контакте.

Проверка на непросыпаемость (9) в (11):

d₁₀ < / 0.16 < 2.25/0.15=15

при пористости n=0.34 (бланк задания) =0.15

3. Проверять контакт банкета и основания нет необходимости, т.к. они сложены из одинакового грунта (11).

9. Расчет фильтрации через тело плотины

В ходе фильтрационных расчетов определяются следующие параметры фильтрационного потока:

• Положение кривой депрессии;

• Удельный фильтрационный расход через тело плотины и основание;

• Суммарные фильтрационные потери через тело плотины, основания и берега;

• Градиенты напора фильтрационного потока в теле плотины, основании, в местах выхода фильтрационного потока в дренаж.

Расчет ведем для условий плоской задачи, т.е. на 1 п.м. длины плотины вдоль гребня.

Расчетный случай.

В верхнем бьефе НПУ = 109.0 м

В теле плотины установившаяся фильтрация

В нижнем бьефе =101.3 м

Расчетная схема представлена на рис.4

Расчетная длина определяется по формуле

L_расч = L + L + l_др =3.9 + 31.5 = 35.4 м

L = Н₁=0.43*9=3.9 м,

где – коэффициент, учитывающий величину верхового откоса, = = =0.43; Н₁ – глубина воды перед плотиной при НПУ, Н₁=НПУ-Дна=109.0-100.0=9.0 м.

Длина, отсчитываемая от уреза воды при НПУ до начала внутреннего откоса дренажной призмы: L=l₁+ l₂+ l₃=8.4 + 10 + 13.1 = 31.5 м

l₁=( Гп –НПУ)m_h=(111.8 – 109.0)*3=8.4 м

l₂ = b_гр = 10 м

l₃= l₄ – l₅=16.6 – 3.5= 13.1м

l₄ =( Гп –Д)m_t =(111.8 – 103.5)*2.0=16.6 м

l₅ =( Д – ) =(103.5 –100.0)*1.0=3.5 м

Длина захода кривой депрессии в дренаж:

l_др =(0.05 0.06) Н₁= 0.5 0.6 м

Принимаем l_др =0.6 м.

Для построения кривой депрессии задаемся значениями х и определяем значения ординат по формуле:

у =

где – удельный фильтрационный расход через тело плотины,

= * = 0.0000039 м³/с,

где - коэффициент фильтрации грунта тела плотины, =0.3 м/сутки = м/с; Н₂ – глубина воды в нижнем бьефе.

Табл. Координаты для построения кривой депрессии

• х	DL=3.9	DL+10=13.9	DL+20=23.9	DL+30=33.9
  у	8.5	7.1	5.2	2.3

• С

• сСуммарный фильтрационный расход через тело плотины:

Q_ф= *l_ср.пл. = 0.000003 * 235=0.0006 м³/с

Вывод: полученный суммарный фильтрационный расход не превышает расхода полезных

попусков Q=0.0006 м³/с < =2.2 м³/с, поэтому нет необходимости в предусмотрении ПФУ в теле плотины.

• Минимальное расстояние между кривой депрессии и поверхностью низового откоса меньше, чем глубина промерзания грунта – 1.8 м, слагающего низовой клин плотины, следовательно, принимаем комбинированный дренаж: дренажная призма + плоский горизонтальный дренаж.

• Чтобы не происходило нарушение фильтрационно–суффозионной прочности и устойчивости любого элемента плотины при оценке фильтрационной прочности необходимо выполнить следующие условия:

I_est,m ,

где I_est,m – действующий градиент напора в теле плотины,

I_est,m = = = 0.215,

- критический средний градиент напора, определяемый на основании исследования грунтов в реальных условиях эксплуатации, /3/, стр.151, табл.4.15, =1; - коэффициент надежности по ответственности сооружения, для IV класса .

I_est,m = 0.215 - фильтрационная прочность тела плотины обеспечена.

• Фильтрационно–суффозионная прочность основания оценивается по условию:

I_est,о ,

где I_est,о – действующий градиент напора в основании плотины.

I_est,о = = = 0.183,

– длина основания плотины, +0.88 =36+0.88*7=42.16 м, - ширина плотины по основанию, измеряемая от подошвы верхового откоса до начала дренажа,

- заглубление расчетного водоупора, принимаем из-за отсутствия данных о положении реального водоупора м

- критический средний градиент напора в основании плотины, определяемый на основании исследования грунтов в реальных условиях эксплуатации, /3/, стр.151, табл.4.15, = 0.45; - коэффициент надежности по ответственности сооружения, для IV класса .

I_est,о = 0.183 - фильтрационная прочность основания плотины обеспечена.

Т.к. все необходимые условия выполнены, то фильтрационная прочность комплекса «плотина – основание» обеспечена.

10. Расчет устойчивости низового откоса

Расчет устойчивости откосов грунтовых плотин обычно проводят для нескольких наиболее неблагоприятных случаев работы плотины. В курсовом проекте проверяем возможность обрушения только низового откоса плотины в ее русловой части по одной из возможных поверхностей скольжения. Расчеты проводятся методом круглоцилиндрических поверхностей скольжения для предварительно выбранного очертания откоса при заданных физико-механических характеристиках грунта тела и основания плотины и известном положении кривой депрессии. В результате расчета определяем минимальное значение коэффициента устойчивости, который должен быть равен или больнее нормативного.

Расчеты устойчивости откосов относятся к расчетам по I группе предельных состояний (непригодность сооружения к эксплуатации), условие недопущения которых:

где - моменты, соответственно, от удерживающих и сдвигающих сил относительно центра поверхности (кривой) скольжения; - коэффициент надёжности по ответственности сооружения, для сооружения IV класса =1,1; - коэффициент, зависящий от сочетания нагрузок и равный для основного сочетания =1,0; – коэффициент условия работы, 0,95 при предварительных расчётах.

Расчет устойчивости выполняется в следующей последовательности.