ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Факультет водохозяйственного строительства
Кафедра гидротехнических мелиораций
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к курсовому проекту по гидротехническим сооружениям
"Водохранилищный гидроузел с грунтовой плотиной"
(специальности 280401,65 и 280301,65)
5-е издание, переработанное и дополненное
Омск - 1999
Рекомендовано методической комиссией факультета водохозяйственного строительства
Составил - доцент Е.Ф.Петров
Рецензент - профессор И.В.Карнацевич
УДК 626.8
Методические указания к курсовому проекту по гидротехническим сооружениям "Водохранилищный гидроузел с грунтовой плотиной" (специальности 320500 и 311600). 5-е издание переработанное и дополненное.
Рассмотрены общие вопросы проектирования и расчёта комплекса гидротехнических сооружений низконапорных речных гидроузлов.
Предназначены студентам специальностей 320500 ("Мелиорация, рекультивация и охрана земель") и 311603 ("Инженерные системы сельскохозяйственного водоснабжения, обводнения и водоотведения") для самостоятельной работы над курсовым проектом по дисциплине "Гидротехнические сооружения".
Табл.____, Рис.____, Библ.____.
"Вода! У тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха.
Тебя не опишешь, тобой наслаждаешься, не понимая, что ты такое.
Ты не просто необходимость для жизни, ты и есть жизнь!"
Антуан де Сент-Экзюпери.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Крайне сложно найти такую область хозяйственной деятельности человека, в которой не используется вода. Само существование практически всего живого в нашем мире невозможно без этого бесценного дара природы. Учитывая, что человечество использует большей частью пресную воду, необходимо напомнить, что из общего количества воды на Земле на соленые воды морей и океанов приходится более 96%, в то время как доля доступной пресной воды (реки, озера и подземные воды) составляет всего лишь около 1%. Катастрофическое загрязнение природы стремительно сокращает и без того крайне малые запасы чистой воды.
Исключительно важное значение для жизни людей имеет речной сток воды, т.к. именно в непосредственной близости от рек проживает большинство населения. Однако использование речного стока в течение года значительно затруднено из-за крайне неравномерного распределения его во времени (примерно ¾ объёма годового стока приходится на короткий период паводков). С другой стороны и сам объём стока реки может значительно меняться в разные годы. Исходя из объективной необходимости регулирования стока рек во времени и его аккумуляции для последующего использования, а также предотвращения разрушительного действия водной стихии при наводнениях, человечество вот уже несколько тысячелетий создаёт и использует водохранилища.
Общий объём водохранилищ планеты, унаследованный нами от прошлых веков, составил 15 куб. км., а сейчас он уже превысил 6 тыс. куб. км. Особенно высокими темпами шло создание водохранилищ в последние 40 лет. За этот период их объём увеличился более, чем в 10 раз, а общее число водохранилищ превысило 30 тысяч. Ежегодно в строй вступает от 300 до 500 новых водохранилищ. Их создание изменило природу не только самих водных объектов, но и прилегающих территорий в общей сложности на площади в 1,5 млн. кв. км. А ведь это площадь нескольких крупнейших европейских государств!
И вместе с тем хорошо известно, что редко какой-либо вид хозяйственной деятельности общества вызывал столько дискуссий, сколько создание водохранилищ. Чем же можно объяснить феномен водохранилищ и противоречивое отношение к ним? Почему их создание встречает яростное сопротивление одних и горячее одобрение других слоев населения? Почему интенсивно ведётся их проектирование и строительство во всем мире, в том числе в Японии, многих западноевропейских и других странах, где каждый клочок земли буквально на вес золота?
Объясняется это тем, что водохранилища, с одной стороны объективно необходимы для социально-экономического развития общества, для удовлетворения его потребностей в воде, продовольствии, энергии, отдыхе, в борьбе с наводнениями и т.д., а с другой - оказывают также и отрицательное воздействие на природу и хозяйство речных долин выше и ниже створа плотин.
Затопление, подтопление и переформирование берегов ведёт к потере полезных угодий, сносу населенных и хозяйственных объектов. Под влиянием подтопления и нового микроклимата происходят изменения в почвенном покрове, растительном и животном мире. Водохранилища вносят существенные изменения в гидрологический, гидрохимический и гидробиологический режимы рек. Достаточно напомнить, что и плотины и водохранилища нарушают условия жизни наиболее ценных проходных и полупроходных рыб. На многих реках земного шара созданием плотин и водохранилищ был нанесен значительный урон богатейшим заливным лугам поймы.
Итак, главное и коренное противоречие заключается в различии интересов тех отраслей хозяйства, для которых создаются водохранилища с одной стороны, и интересов населения, отраслей хозяйства и природных объектов, которым наносится тот или иной ущерб, вследствие негативных явлений - с другой.
Сказанного видимо достаточно, чтобы понять, что о водохранилищах нельзя судить, изучив лишь отдельные аспекты их создания и использования. Этим нередко грешат узкие специалисты некоторых отраслей хозяйства. Да и винить их в этом, собственно, нельзя. Действительно, какую оценку водохранилищам, кроме отрицательной, может дать специалист, занимающийся проходными рыбами или вопросами подтопления? И наоборот, весьма оптимистичный взгляд на создание водохранилищ у энергетиков и ирригаторов. Следовательно, объективная оценка хозяйственного значения водохранилищ может осуществляться лишь на основе комплексного подхода и системного анализа.
При этом каждое крупное водохранилище должно рассматриваться как:
- склад определенного объёма воды;
- объект, существенно изменяющий исходное качество воды (в одних случаях улучшая, в других - ухудшая её показатели);
- акватория, используемая водным транспортом, рыбным хозяйством, в рекреационных целях для отдыха населения;
- потребитель земель ( затопление, подтопление, переработка берегов );
- объект, позволяющий в ряде районов значительно увеличить использование земельных ресурсов (ирригация, борьба с наводнениями, территориальное перераспределение стока);
- объект, вносящий заметные изменения в природу и хозяйство речных долин, дельт, озер, приустьевых участков морей (эстуарий).
Указанные факторы должны тщательно изучаться и анализироваться на всех стадиях проектирования, строительства и эксплуатации водохранилищ. Необходимость подготовки высококвалифицированных кадров водохозяйственного направления, которые смогут успешно решать такие сложные комплексные задачи, определена тем уровнем общественного развития, который достигнут в наши дни.
ВВЕДЕНИЕ
Указания предназначены студентам специальностей 320500 ("Мелиорация, рекультивация и охрана земель") и 311603 ("Инженерные системы сельскохозяйственного водоснабжения, обводнения и водоотведения") для самостоятельной работы над курсовым проектом по дисциплине "Гидротехнические сооружения".
Задача курсового проектирования - дать студенту практическое представление о роли, значимости и взаимном влиянии сооружений входящих в состав низконапорного гидроузла, порядке выбора их конструкций, а также о целях и методах их расчётов.
Для образования водохранилища возводят комплекс специальных гидротехнических сооружений (водоподпорное сооружение - плотину и различные водопропускные сооружения), называемый гидроузлом. Часть водохранилища или водотока, примыкающая к водоподпорному сооружению гидроузла, называется бьефом; бьеф, расположенный вверх по течению от напорного сооружения, называется верхним, а вниз по течению - нижним.
Главная цель создания водохранилищ - регулирование стока, которое делается в основном в интересах водоснабжения, ирригации, энергетики, водного транспорта и в целях борьбы с наводнениями. Для этого в водохранилищах аккумулируется сток в одни периоды года и отдаётся накопленная вода в другие периоды. Период аккумуляции стока называется наполнением водохранилища, а процесс отдачи - сработкой водохранилища. Как наполнение, так и сработка водохранилища производится всегда до более или менее определённых уровней. Высший проектный уровень водохранилища (верхнего бьефа плотины), который подпорные сооружения могут поддерживать в нормальных эксплуатационных условиях в течение длительного времени, называется нормальным подпорным уровнем (НПУ). На НПУ рассчитываются как сооружения инженерной защиты, так и все промышленные, коммунальные и другие сооружения, располагающиеся на берегах водохранилища. Минимальный уровень воды в водохранилище до которого возможно его сработка в условиях нормальной эксплуатации, называется уровнем мертвого объёма (УМО). Объём воды, заключенный между НПУ и УМО, называется полезным, т.к. именно этим объёмом и можно распоряжаться в различных целях. Объём же воды, находящийся ниже УМО, называется мертвым, т.к. использование его в нормальных условиях не предусматривается.
Пропускная способность гидроузла (его турбин, водосливных пролётов, донных отверстий, шлюзов и других водопропускных сооружений) по экономическим и реже техническим соображениям ограничена. Поэтому когда по водохранилищу идёт расход очень редкой повторяемости (раз в сто, тысячу, а то и десять тысяч лет), гидроузел не в состоянии пропустить всю массу воды, идущую по реке. В этих случаях уровни воды на всём водохранилище и у плотины повышаются, увеличивая его объём иногда на значительную величину. Такой подъём уровня выше НПУ в период прохождения высоких половодий редкой повторяемости называется форсированием уровня водохранилища, а сам уровень - форсированным подпорным (ФПУ).
Уровни воды у плотины, в средней и верхней зонах водохранилища не одинаковы. Если у плотины уровень соответствует отметке НПУ, то по мере удаления от неё он повышается вначале на сантиметры, а затем на десятки сантиметров, доходя в отдельных случаях до 1-2 метров. Это явление носит название кривой подпора.
Помимо объёма водохранилища W, важной характеристикой является площадь зеркала водохранилища F. Для определения этих показателей используют батиграфические характеристики водохранилища: W = f ( H) и F = f ( H), где H - отметка зеркала (глубина) водоёма. Важными показателями являются максимальная Н и средняя h = W/F глубина водохранилища, а также площадь мелководной зоны F (глубиной менее 0,5 м.). Из экологических условий площадь F не должна превышать 10-15 % от общей площади зеркала водохранилища.
1. Общие указания
1.1. Указания по изучению дисциплины
Курс общепрофессиональной дисциплины "Гидротехнические сооружения" опирается на сведения из комплекса общетехнических, специальных и базовых дисциплин - математики, физики, черчения, строительной механики, механики грунтов, строительных материалов, геологии, гидрогеологии, гидравлики, гидрологии, регулирования стока, КИОВР, инженерных конструкций, использование водной энергии, организации и технологии производства работ и др. Очевидно, что для успешного изучения ГТС студент должен иметь определённый багаж знаний, умений и навыков.
При изучении дисциплины необходимо сочетание активной работы студента на лекциях, лабораторных и практических занятиях с глубокой самостоятельной проработкой материала в учебной, справочной и нормативной литературе. При этом рекомендуется составлять конспекты, куда следует вносить основные определения, конструктивные и расчётные схемы.
1.2. Исходные данные к проекту
Исходные данные для проектирования приведены в задании и включают: топографический план площадки гидроузла; геологическое строение основания в его створе; сведения о наличии местных строительных материалов и их физико-механические характеристики; климатические и гидрологические условия в створе гидроузла; характеристики водохранилища и расчётные расходы водопропускных сооружений.
1.3. Состав и объём проекта
Курсовой проект состоит из расчётно-пояснительной записки объёмом 30-35 стр. рукописного текста с расчётными схемами, рисунками, графиками и таблицами, а также из графической части на 2 листах ватмана.
Расчетно-пояснительная записка должна быть написана чернилами, технически грамотно, четким почерком, на стандартных листах писчей бумаги формата А4 (297 х 210 мм) и оформлена в соответствии с ЕСКД и СПДС. Записка выполняется на одной стороне листа, на котором должны оставляться поля: слева для подшивки - 30 мм, справа - 10 мм, сверху - 15 мм, снизу - 20 мм. Примерное содержание и компоновка расчетно-пояснительной записки приведены в задании на проектирование.
Пояснительная записка в обязательном порядке должна содержать следующие рисунки, выполненные на миллиметровке в масштабе: продольный разрез по створу плотины с врезкой сооружений и геологическим строением основания (горизонтальный 1:1000; вертикальный 1:100); депрессионная поверхность фильтрационного потока в характерных сечениях плотины (1:100 - 1:500); графическая часть расчёта коэффициента устойчивости откоса плотины (1:100 - 1:200); продольный профиль по оси водосброса с врезкой сооружений и геологическим строением основания (горизонтальный 1:1000; вертикальный 1:100); продольный разрез по оси водовыпуска (1:100 - 1:500).
Графическая часть проекта выполняется карандашом на чертёжной бумаге формата А1 (594 х 841 мм). Примерное содержание и масштаб чертежей:
Лист 1. Генплан гидроузла (1:1000). Поперечные профили плотины в русловой и пойменной частях створа ( 1:200 - 1:500). Конструкции крепления верхового и низового откосов с бермами, гребня плотины, дренажей и т.д. (1:50 - 1:200).
Лист 2. План и продольный разрез по оси водосбросного тракта (1:200 - 1:500), детали, поперечные разрезы и конструкции водосброса (1:100 - 1:200).
Глубина проектной проработки отдельных разделов проекта и сооружений гидроузла уточняется руководителем при выдаче индивидуального задания. При этом объём некоторых расчётов и тщательность конструирования отдельных сооружений могут быть как увеличены, так и уменьшены.
1.4. Работа над проектом и его защита
Курсовой проект студент выполняет самостоятельно, изучая и используя при этом литературные источники, конспекты, типовые проекты, плакаты и другие материалы.
Цель курсового проекта - углубление и закрепление студентом теоретического материала, изучаемого им не только по гидросооружениям, но и по ряду смежных дисциплин.
В процессе курсового проектирования студент должен овладеть навыками самостоятельного творческого поиска и решения. При этом все основные положения и решения проекта студент согласовывает с руководителем.
Работу над проектом следует начинать с внимательного изучения задания на проектирование и исходных данных, осваивая при этом соответствующие разделы курса, изложенные в учебной литературе и конспектах. При этом необходимо четко уяснить назначение гидроузла, проанализировать топографические условия района строительства, изучить геологическое строение основания и наличие местных строительных материалов, а также гидрологический режим водоисточника и т.д. Далее студент знакомится с составом курсового проекта и требованиями, которые к нему предъявляются, намечая при этом последовательность и график его выполнения. Успех курсового проектирования во многом определяется сроком концептуальной проработки схемы всех сооружений гидроузла и ритмичностью дальнейшей работы.
Каждый раздел расчетно-пояснительной записки четко выделяется и нумеруется, в конце как правило делаются необходимые выводы. Любой расчет должен иметь расчетную схему с указанием всех используемых далее обозначений величин. Все формулы выписываются сначала в общем виде с разъяснением их компонентов и размерностей, а лишь потом приводят числовые данные с необходимыми обоснованиями. Обязательно делать ссылки на литературные источники согласно составленному списку использованной литературы. Пояснительные рисунки, расчетные схемы, вспомогательные графики и профили выполняются на миллиметровой бумаге в карандаше и помещаются либо в разрывах между текстом, либо на отдельном листе внутри раздела, либо в приложении. Обязательно дать нумерацию и название рисунков, указать масштаб, обозначения, размеры, координаты, привести необходимые пояснения и т.п.
При выполнении чертежей должны соблюдаться требования, предъявляемые к строительным чертежам и принятые условные обозначения. Чертежи должны давать ясное представление о конструкции сооружения и его деталях; иметь необходимые размеры, высотные отметки и пояснительные надписи. Необходимо стремиться к возможно большей насыщенности чертежей, не допуская на них "пустых" мест. При разработке общих планов или отдельных узлов следует особое внимание уделить правильности изображения выемок, насыпей и сопряжения сооружений с местностью и между собой.
Разработка конструкции сооружений - важный этап работы над курсовым проектом, на выполнение которого требуется около половины всего рабочего времени по проектированию. Как правило конструирование сооружений начинают с изучения литературы и типовых проектов по интересующему сооружению или узлу. Далее на основании полученных знаний, творческой переработки и обобщения накопленного материала задуманная конструкция вычерчивается на миллиметровке. При конструировании необходимо стремиться к прочности и надежности сооружения, сборности конструкции, технологичности его строительства, экономичности решения и его архитектурной красочности. После согласования и одобрения руководителем проекта эскизных разработок студента, конструкция сооружения дорабатывается и переносится на ватман.
После оформления записки и чертежей студент должен их подписать и заблаговременно представить проект руководителю для проверки и решения о допуске его к защите.
При защите студент должен:
- представить законченный и одобренный руководителем проект;
- уметь обосновать и защитить принятые в проекте методы расчета и технические решения (при этом видеть как сильные, так и слабые их стороны);
- разбираться в конструкции запроектированных сооружений и режимах их работы.
Итоговая оценка курсового проекта формируется из качества выполненного проекта (записки и чертежей), ритмичности работы над ним и тех знаний, умений и навыков, которые студент продемонстрирует при его защите.
1.5. Рекомендуемая литература
1. Гидротехнические сооружения / Под ред. Н.П. Розанова. - М.: Агропромиздат, 1985. - 432 с.
2. Гидротехнические сооружения / Под ред. В.П. Недриги - М.: Стройиздат, 1983. -543с. -(Справочник проектировщика).
3. Курсовое и дипломное проектирование по гидротехническим сооружениям / Под ред. В.С. Лапшенкова.- М.: Агропромиздат, 1989. - 448 с.
4. Справочник по гидравлическим расчетам / Под ред. П.Г. Киселева. - М.: Энергия, 1972. - 352 с.
5. Проектирование гидротехнических сооружений / И.М. Волков, П.Ф. Кононенко, И.К. Федичкин и др. - М.: Колос, 1977. - 384 с.
6. Мелиорация и водное хозяйство. 4.Сооружения: Справочник / Под ред. П.А. Полад-Заде. - М.: Агропромиздат, 1987. - 464 с.
7. Розанов Н.Н. Плотины из грунтовых материалов. - М.: Стройиздат, 1983. - 296 с.
8. СНиП 2.06.01-86. Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования / Госстрой СССР. - М.: 1987. -32 с.
9. СНиП 2.06.02-85. Основания гидротехнических сооружений / Госстрой СССР. - М.: 1988. - 48 с.
10. СНиП 2.06.03-85. Мелиоративные системы и сооружения / Госстрой СССР. - М.: 1986. - 60 с.
11. СНиП 2.06.04-82. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов) / Госстрой СССР. - М.: 1986. - 40 с.
12. СНиП 2.06.05-84. Плотины из грунтовых материалов / Госстрой СССР. - М.: 1989. - 32 с.
13. СНиП 2.06.06-85. Плотины бетонные и железобетонные / Госстрой СССР. - М.: 1986. - 40 с.
14. СНиП 2.06.07-87. Подпорные стены, судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения / Госстрой СССР. - М.: 1987. - 40 с.
15. СНиП 2.06.15-85. Инженерная защита территории от затопления и подтопления / Госстрой СССР. - М.: 1986. - 20 с.
16. Типовые проектные решения (ТПР) 820-0-6. Компоновки гидротехнических узлов с водосбросами открытого и трубчатого типа на расход воды до 100 м3 /с. Ленгипроводхоз,1979. -43 с.
17. ТПР 820-0-5. Секции земляных насыпных плотин высотой до 10 м с уположенным верховым откосом. Ленгипроводхоз,1978. - 86 с.
18. Типовой проект (ТП) 820-01. Секции земляных насыпных плотин высотой до 15 м с крепленным верховым откосом. Ленгипроводхоз, 1977. - 98 с.
19. ТП 820-118. Трубчатые водосбросы при земляных плотинах на расход до 30 м3 /с с падением до 10 м. Гипроводхоз, 1976. - 27 с.
20. ТП 820-188. Сооружения при земляных плотинах (водосбросы и водовыпуски).
Выпуск 1. Водосбросы сифонного типа на расход до 30 м3 /с при перепадах 5-15 м.
Выпуск 2. Водоспуски трубчатые на расход до 1,5 м3 /с при напорах 5-10 м...
Выпуск 6. Водосбросы открытого типа щитовые, на грунтовом основании с консолью на расход 20-50 м3 /с при перепадах 5-15 м.
Выпуск 7. Водосбросы открытого типа щитовые, на свайном основании с консолью на расход 20-50 м3 /с при перепадах 5-15 м.
21. ТП 820-210. Водосбросы-водовыпуски трубчатые с шахтным оголовком на расход воды до 70 м3 /с при напорах 5-12 м. Укргипроводхоз, 1977. - 68 с.
22. ТП 820-208. Сооружения при земляных плотинах (водосбросы и водовыпуски). Водосбросы трубчатые с ковшовым оголовком на расход воды до 50 м3 /с при перепадах 7-15 м.
23. ТП 820-214. Шлюзы-регуляторы на каналах мелиоративных систем расходом до 150 м3 /с и напором 2,0 - 3,5 м.
24. ТП 820-111. Сифонные водосбросы совмещенные с водоспусками на расходы до 30 м3 /с при перепаде 5-10 м.