2. Состав гидроузла и назначение его сооружений

Основные сооружения:

1.Водоподпорное сооружение – плотина. Данное сооружение необходимо для создания подпора воды и образования чаши водохранилища.

Плотины по назначению:

- водохранилищные, т. е. которые создаются для создания некого объема воды, необходимой для последующего использования;

- водоподъемная, создается для поднятия уровня воды выше действительного (ГЭС, водный транспорт).

2. Водосбросное сооружение, служит для пропуска избыточного количества воды в нижний бьеф во время весенних половодий либо дождевых паводков.

3. Водоспускное сооружение. Необходимо для пропуска в нижний бьеф бытовых расходов воды (санитарные попуски), для пропуска строительных расходов, для полного или частичного опорожнения водохранилища.

4. Водозаборное сооружение. Оно требуется для забора воды из водохранилища для целей орошения.

2. Тип водосбросного сооружения

Тип водосбросного сооружения принимаем в зависимости от расчетного максимального расхода, Q_1%=58 м³/с.

Так как Q_1%=58 м³/с, принимаем шахтный автоматический двухочковый водосброс.

Шахтные водосбросы обычно устраивают при узких скальных ущельях с крутыми склонами, их можно применять при значительных напорах и больших расходах.

Шахтный водосброс представляет собой кольцевой водослив (воронку), сбрасывающий воду в нижний бьеф через вертикальную шахту и отводящий туннель. Отводящий туннель вначале используют для пропуска строительных расходов, а при возведении плотины устраивают шахтный водосброс, который присоединяют к туннелю, входную часть его, перед шахтной, заделывают бетонными пробками.

2. Компоновка сооружений гидроузла

Компоновка гидроузла обеспечивает взаимное размещение входящих в него гидротехнических сооружений, которое наилучшим образом отвечает решению народнохозяйственных и технических задач. Основой компоновки гидроузла является технико-экономическое сравнение возможных вариантов, при котором предпочтение отдалось варианту, наилучшим образом удовлетворяющему при одинаковой надежности охране окружающей среды, удобствам эксплуатации, монтажа и ремонта оборудования, минимальному расходованию дефицитных строительных материалов с использованием оборудования, обладающего наилучшими техническими показателями. При этом удовлетворяются эстетические требования и нормы экономической эффективности.

В связи с данными требованиями ось тела плотины запроектирована в самой узкой части реки с наиболее крутыми берегами. С экономических соображений гидроузел запроектирован так, чтобы расстояние до потребителя было наименьшим.

2. Грунтовая плотина

3.1 Тип и конструкция плотины

3.1.1 Тип плотины

Классификация плотин

1) В зависимости от материала и способа возведения плотины:

• Земляные насыпные;

• Земляные намывные;

• Каменно-земляные;

• Каменно-набросные.

2) По способу перекрытия русла:

• Глухие;

• Водосливные.

3) По конструкции поперечного профиля

• Однородные;

• Неоднородные.

4) В зависимости от способа противодействия сдвигу

• Контрфорсные;

• Гравитационные;

• Арочные.

Согласно классификации плотин принимается, что в данном случае, это глухая гравитационная грунтовая однородная насыпная плотина. С . Тело плотины предусматривается отсыпать суглинистым слоистым грунтом, который находится в большом количестве в районе строительства.

3.1.2 Сопряжение тела плотины с основанием

В данной работе, при строительстве плотины на нескальном основании, предусмотрены мероприятия по подготовке основания, в том числе по вырубке леса и кустарника, выкорчёвыванию пней, удалению растительного слоя и слоя, пронизанного корневищами деревьев и кустов или ходами землеройных животных. Наклонные поверхности берегов в пределах профиля примыкания плотины спланированы плавным очертанием.

3.1.3 Противофильтрационные устройства

Противофильтрационные устройства предусматривается в плотинах в тех случаях, когда необходимо уменьшить фильтрационный расход. Чтобы уменьшить уклоны фильтрационного потока для предотвращения фильтрационной деформации грунта в теле плотины, фильтрационные устройства могут устанавливаться в теле плотины, когда недостаточно грунта с низким коэффициентом фильтрации.

Могут устраиваться в основании плотины, когда концы основания, принимаемые замок, зуб, шпунтовая стенка.

Вывод: Так как в основании плотины имеется суглинистый слоистый грунт с коэффициентом сцепления С=2,1 и Кф =0,02. В теле плотины шпунтовая стенка не требуется.

3.1.4 Гребень плотины

Он предназначен для использования автомобильной или железнодорожной дороги, размеры которых назначают, руководствуясь требованиями соответствующих нормативных документов.

Ширину гребня плотины устанавливают в зависимости от условий производства работ и эксплуатаций.

По гребню плотины предусмотрено устройство автомобильной дороги V (см. задание), категории, принимаем ширину гребня плотины равную 8 метров.

Определение отметки гребня плотины:

, м, (5)

где - превышение над расчетным уровнем воды в водохранилище гарантирующее переливы воды через гребень плотины.

- отметка уровня верхнего бьефа, м.

Расчет ведется для двух случаев стояния воды в верхнем бьефе. Для отметок НПУ и ФПУ.

1. Определение отметок

, м (6)

,м (7)

, м (8)

,

, (9)

где - высота наката ветровой волны на откос, м; - высота ветрового нагона волны, м;

- конструктивный запас, принимаемый в конце расчета, входит в пределы 0,5…1,0 м.

Определяем высоту ветрового нагона волны по формуле:

, м (10)

где – коэффициент, зависящий от скорости ветра, если скорость ветра не превышает 20 м/с, то , если скорость ветра превышает 20 м/с, то ; [2].

- скорость ветра, (м/с); (см. задание).

- длина разгона ветровой волны, м; (см. задание).

- условная расчетная глубина воды в водохранилище, м;

- ускорение свободного падения ,

- угол между продольной осью водоема и направлением господствующих ветров, .

Для :

м/с;

км;

;

.

, м (11)

, м

.

Для :

м/с;

км;

;

.

, м (12)

, м

Определяем высоту наката ветровой волны на откос по формуле:

(13)

где - высота волны 1% вероятности превышения;

– коэффициенты, зависящие от типа и относительной шероховатости верхового откоса, принимаются , ; [таб. 3.5, 2];

- коэффициент, зависящий от скорости ветра и заложения откосов. При скорости ветра менее 20 м/с , при более - [таб. 3.6, 1];

- коэффициент, зависящий от угла подхода фронта воды к плотине, .

– коэффициент, зависящий от заложения верхового откоса и параметров ветровой волны. Принимается по графику 3.4 [2].

- коэффициент для 1% вероятности, .

Для вычисления необходимо выполнить алгоритм расчета:

1. Вычисляются безразмерные комплексы для НПУ и ФПУ

, (14)

(15)

где - ускорение свободного падения, ;

- продолжительность действия ветра в секундах, ;

- скорость ветра, м/с, (см. задание).

Для :

;

.

Для :

;

.

где , - безразмерные коэффициенты.

2. Для каждого из найденных комплексов определяется значения относительных параметров по графику 3.2 [2].

Для :

Для : ;

Для : ;

Для :

Для : ;

Для : ;

3. Из найденных значений двух пар значений принимается за расчетные наименьшие параметры

Для :

;

Для :

;

4. Определяются средняя высота волны ђ и средний период волны по формулам:

, м (16)

(17)

Для :

;

.

Для :

;

5. Определяется среднюю длину волны λ по формуле:

(18)

Для :

.

Для :

.

6. Находим 1%-ю вероятность превышения по формуле:

(19)

где - коэффициент, устанавливаемый по графику 3.3 [2] в зависимости от значений безразмерного комплекса.

Для :

;

.

Для :

;

.

Коэффициент определяем по графику 3.4 [2].

Для начала определяем значение пологости волны по соотношению .

Для :

,

Принимаем .

Для :

,

Принимаем .

Определяем конструктивный запас «a» по формулам:

, м (20)

, м (21)

Для :

;

.

Для :

;

.

Принимаем в дальнейшем наибольшее значение.

Определяем высоту наката ветровой волны на откос по формуле (13):

Для :

м.

Для :

м.

Превышение над расчетным уровнем воды в водохранилище, гарантирующее переливы воды через гребень плотины определяем по формуле (9):

Для :

м.

Для :

м.

Определяем отметки гребня плотины для ∇НПУ и ∇ФПУ по формулам (6) и (7):

Для

Для

м

Принимается наибольшее значение гребня плотины .

Высота плотины определяем по формуле:

, м (22)

м.

3.1.5 Откосы и бермы

Заложение откосов земляных плотин должно отвечать их статистической устойчивости, определяемой расчетом. Однако такой расчет можно выполнить лишь после принятия профиля плотины и построения на основании фильтрационных расчетов депрессионной кривой. Поэтому предварительно назначили заложение откосов, а затем расчетом подтвердим их статистическую устойчивость. Если окажется, что устойчивость откосов не обеспечивается, назначают новое заложение откосов и вновь выполняют расчеты, добиваясь получения коэффициента запаса, равного нормативному.

Заложение откосов зависит от высоты плотины, типа грунта в теле плотины и наличия дренажа в теле плотины. Для однородной плотины с дренажем, с глинистыми грунтами в теле плотины принимаются откосы – верховой m₁ = 3 и низовой m₂ = 2 [таб. 3.2, 2].

Откосы плотин защищают креплениями от разрушающего действия волн, льда, течений воды, атмосферных осадков, ветра и других факторов. Так как проектирование ведется в районе Среднего Урала, где имеется в избытке камень, то предусмотрено крепление верхового откоса каменной наброской.

Крепление верхового откоса делится на основное и облегченное. Верхней границей основного крепления служит гребень плотины. Нижняя граница основного крепления - граница не выше низшего уровня, уменьшенного на 1,5t, где t – расчетная толщина льда в водохранилище (0,8м).

, м (23)

, м (24)

где - нижняя граница крепления;

- наименьший уровень.

1. , м;

2. , м.

Принимается наименьшая отметка из двух величин .

Расстояние от нижней границы крепления до дна определяем по формуле:

(25)

Так как расстояние от нижней границы крепления до дна превышает 3 метра, то предусматривается облегченное крепление – песчано-каменная насыпка (камненаброска).

Камненаброска. Толщина камненаброски должна быть не менее чем в три раза больше, чем диаметр камня, приведенного к диаметру шара D.

, м (26)

где - масса камня;

- плотность камня (песок мелкий), .

Массу камня , определяем по формуле:

, т (27)

где - плотность воды, ;

- средняя высота волны, ;

- средняя длина волны, ;

– коэффициент заложения верхового откоса, .

, т;

м.

Толщина камненаброски 0,23*3=0,7 м.

Принимается толщина однослойной подготовки из щебнистого материала, равной 0,3 м.

Крепление низового откоса.

Для крепления низового откоса используется растительный грунт, снятый с основания плотины, толщиной 20 см и на нем производится посев многолетних трав.

На низовом откосе могут располагаться горизонтальные площадки-бермы. Они служат для повышения устойчивости откосов. Их устраивают в местах изменения заложения откосов через 10-15 метров. Ширина бермы 3 метра, устраивают их, если высота плотины превышает 15 метров.

Так как высота плотины не превышает 15 метров, то бермы не предусматриваются.

3.1.6 Дренажи и обратные фильтры

Дренаж – это устройство для приема и организованного отвода воды профильтровавшейся через тело основания плотины. Они устраиваются с целью:

1. Предотвращения выхода фильтрационного потока на низовой откос и в зону, подверженную промерзанию;

2. Понижение депрессионной поверхности для повышения устойчивости низового откоса;

3. Повышение устойчивости верхового откоса при быстрой сработки водохранилища;

4. Для ускорения консолидации грунтов и снятия давления возникающего при сейсмических воздействиях.

Дренаж бывает русловой и пойменный. Русловой дренаж располагается, когда вода в верхнем бьефе есть постоянно, а в нижнем происходит ее колебания.

Пойменный дренаж устраивается, когда есть вода в верхнем бьефе, а в нижнем ее нет.

Виды руслового дренажа по конструкции:

• Дренажная призма;

• Дренажный банкет;

• Наслойный дренаж;

• Комбинированный дренаж.

Русловой дренаж выполняется из природных материалов. Коэффициент фильтрации должен быть больше коэффициента фильтрации тела плотины. Чаще всего выполняют из камня.

Так как, в районе строительства имеется большое количество камня, дренаж выполняется в виде банкета из каменной броски, который служит упором низового откоса плотины.

Расчет гребня дренажного банкета

(29)

где - отметка воды в нижнем бьефе, снимается с графика м; (Приложение 2).

- конструктивный запас,

м.

;

.

Высота банкета определяется по формуле:

, м (30)

м

В качестве пойменного дренажа принимается трубчатый дренаж из асбестоцементных перфорированных труб диаметром 250 мм.

Пойменный дренаж:

Глубина заложения дренажа в тело плотины принята по формуле:

, м (31)

Критическая глубина промерзания равно 2,0 м, следовательно принята равной 3 м.

м.