Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование бетонной гравитационной плотины на скальном основании. Учебно-методическое пособие
.pdf
Назначение классов и марок бетона необходимо выполнять с большим запасом, так как
расчеты проводились на неполный состав нагрузок приближенными методами.
Необходимую прочность бетона на сжатие определяют из условия (4.2), откуда
Rbτ ≥ |σ3|,
где Rbτ — расчетное сопротивление бетона на сжатие по предельным состояниям первой
группы.
В соответствии с [4, табл. 6] γcd = 1 для основного сочетания нагрузок, γcd = 1,1 для особого сочетания.
Максимальные сжимающие напряжения в бетоне определяют по нормальным напряжениям в контактном сечении. Главные напряжения на низовой грани вычисляют по формуле (4.3).
При основном сочетании нагрузок σ
= 1,4 МПа, при особом — σ
y,t
= 1,86 МПа.
y,t
Соответственно:
– при основном сочетании нагрузок
σ
= 1,4 (1 + 0,82) = 2,3 МПа;
3,t
– при особом сочетании нагрузок
2
σ
= 1,86 (1 + 0,8
3,t
) = 3,05 МПа.
Требуемое расчетное сопротивление бетона на сжатие:
– при основном сочетании нагрузок
Rb ≥ 2,3 = 2,76 МПа;
– при особом сочетании нагрузок
Rb ≥ 3,05 = 3,33 МПа.
По табл. 3 [5] определяют, что для восприятия таких напряжений достаточно бетона класса B7,5. Принимают для зоны III бетон класса B15. Для внутренней зоны IV класс бетона можно принять меньший, а для зоны II — больший.
Так как при проектировании дренажа был принят критический градиент напора 15, а температура воды в водохранилище — низкая, марка бетона по водонепроницаемости может
быть принята W6. Принимают ее W8 в зоне II переменного уровня и W10 в зоне постоянного
водонасыщения.
Так как среднемесячная температура наиболее холодного месяца составляет –25 ℃, климатические условия района строительства относятся к суровым. В соответствии с [2] при таких
условиях для зоны I следует принять марку бетона по морозостойкости F150, а для зоны III —
F200. Для зоны II переменного уровня принимают марку F300, а для зоны III фундаментной
плиты — F100.
Классы и марки бетона в различных зонах сведены в табл. 5.3.
Таблица 5.3
Характеристикибетонавразличныхзонахпрофиля
Зона бетона I II III IV
Класс бетона B15 B20 B15 B10
Марка по водонепроницаемости W8 W8 W10 –
Марка по морозостойкости F150 F300 F100 –
21
Цель гидравлического расчета бетонной водосливной плотины — расчетное обоснование
габаритов водосброса и сопряжения бьефов за ним.
Пропускную способность эксплуатационного водосброса назначают в зависимости
от класса сооружения. В соответствии с [6] водопропускные отверстия гидроузла должны
обеспечивать пропуск расчетных максимальных расходов воды реки, вероятность превышения которых определяют классом сооружений гидроузла. Ежегодные вероятности превышения расчетных максимальных расходов воды, установленные в СП, приведены в табл. 6.1.
Таблица 6.1
Ежегодныевероятностипревышениярасчетныхмаксимальныхрасходовводы,%
Расчетный случай
I II III IV
Основной 0,1 1,0 3,0 5,0
Поверочный 0,01 0,1 0,5 1,0
Класс сооружений
Пропуск расходов основного расчетного случая осуществляют при НПУ водохранилища,
а для пропуска расходов поверочного расчетного случая допускают форсировку уровня верхнего бьефа.
Если в состав гидроузла входит гидроэлектростанция, то необходимо учитывать, что часть
расходов пропускают через здание ГЭС. Однако [6] устанавливает, что один или несколько гидроагрегатов могут находиться в ремонте. Количество работающих агрегатов n
в зависимости от их общего количества n
n
= n
агр.р
n
= n
агр.р
:
агр
– 1, если n
агр
– 2, если 7 < n
агр
агр
≤ 6;
агр
≤ 12.
назначают
агр.р
Соответственно, пропускная способность водослива
где Q
Qвс = Q
— максимальный расчетный расход основного расчетного случая, м3/с; Q
расч
расч
– Q
агр nагр.р
,
— рас-
агр
ход одного агрегата ГЭС, м3/с.
Как правило, водосброс в высокой бетонной плотине устраивают в виде водослива с затворами. Обычно отверстия водослива выполняют поверхностными, а его оголовок — практического профиля.
Задача гидравлического расчета водослива при его конструировании — определение количества и габаритов (ширины, высоты) водосливных отверстий.
При назначении количества и ширины водосливных пролетов необходимо исходить из общей компоновки гидроузла и защиты русла нижнего бьефа от размыва:
– водосливную плотину, как правило, располагают в русле. В этом случае необходимо вы-
брать ширину водосливных секций меньше ширины русла или выполнить расширение русла;
– удельный расход за водосбросом не должен превышать максимального допустимого.
22
Максимальный допустимый удельный расход может быть определен по формуле
q
где v
— допустимая скорость потока в нижнем бьефе; hб — бытовая глубина нижнего бьефа.
доп
доп
= v
, (6.1)
доп hб
При назначении допустимой скорости можно ориентироваться на неразмывающую скорость потока vнр, которая зависит от прочности грунта и глубины потока [8]. Для полускальных грунтов vнр = 3–7, для скальных — vнр = 5–16 м/с.
Чтобы затвор был приемлемой высоты, рекомендуют принимать удельный расход не более 80 м3/(с·пог. м).
Исходя из известного удельного расхода, требуемая ширина водосливного фронта
Bф = . (6.2)
Водосливной фронт составляют пролеты водосливных отверстий (включая резервный),
а также разделяющие их быки. Необходимо подобрать такое количество и ширину пролетов,
количество и толщину быков, чтобы в сумме они примерно составляли ширину водосливного фронта:
Bф = bn + dр nр + dнр (n – nр – 1), (6.3)
где b — ширина пролета, м; n — количество пролетов; dр, dнр — толщина соответственно разрезных и неразрезных быков, м; nр — количество разрезных быков.
Количество пролетов должно быть не менее двух.
Ширину пролетов, как правило, выбирают из стандартного ряда значений: 7, 8, 10, 12, 14,
16, 18, 20 м.
Необходимую толщину, м, неразрезного быка можно примерно определить из соотношения
dнр = 1,8 + 0,065b.
Разрезной бык толще неразрезного примерно на 1 м.
Гребень водослива должен иметь такое заглубление относительно НПУ, чтобы обеспечить
необходимую пропускную способность водосброса. В соответствии с [6], если водосливная
плотина имеет более 6 пролетов, то один из пролетов следует исключать из расчета пропуска
максимальных расчетных расходов (паводка, половодья).
Соответственно, расход через одно отверстие
Q1 = , (6.4)
где nо — количество открытых пролетов.
Пропускную способность водослива определяют универсальной формулой расхода водослива. Если подтопление отсутствует, то напор на гребне (пороге) водослива выражается формулой
Н = , (6.5)
где Q1 — расход через один водосливной пролет, м3/с; m — коэффициент расхода водослива,
отражающий влияние вида, формы водослива на пропускную способность; ε — коэффициент,
учитывающий влияние бокового сжатия потока на пропускную способность водослива; b —
ширина водосливного пролета, м; g — ускорение свободного падения, м/с2.
23
Пролеты, как правило, перекрывают плоскими и сегментными затворами (сегментный может быть только основным). Для уменьшения высоты затвора водослив может быть выполнен
практического профиля, который имеет максимальный коэффициент расхода (m = 0,49). Однако для размещения двух затворов (основного и аварийно-ремонтного) порог водослива должен иметь достаточную ширину. Поэтому часто требуется устройство дополнительного горизонтального участка.
Устройство горизонтального участка снижает пропускную способность водослива. Этот
фактор учитывают с помощью формулы коэффициента расхода водослива:
m = 0,36 + 0,1 , (6.6)
где δ — ширина вставки в составе профиля, м.
При устройстве горизонтального участка
δ = 0,3Н + δ
где δ
— ширина горизонтального участка, м.
гор
, (6.7)
гор
При небольшом пролете (b ≤ 10 м) и большом удельном расходе (q > 60 м3/(с·пог. м)) устройство горизонтального участка может не потребоваться, тогда m = 0,49 и δ
= 0. В большин-
гор
стве случаев δ/Н = 0,4–0,7.
Коэффициент бокового сжатия принимают в интервале ε = 0,95–0,98.
После вычисления значения напора на гребне водослива необходимо проверить возможность перекрытия водосливных отверстий затворами, а также реализуемость размещения затворов на пороге. Ориентировочно можно считать, что плоскими затворами можно перекрыть
отверстия площадью до 250 м2, а сегментными — до 300 м2.
Построение практического профиля водослива осуществляют по координатам Кригера –
Офицерова, которые заданы для напора 1 м (табл. 6.2).
Таблица 6.2
КоординатыКригера–Офицерова(приH=1),м
X
Y
X
Y
0 0,2 0,3 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
0,126 0,007 0,0 0,006 0,06 0,146 0,256 0,394 0,564 0,764 0,987
2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4
1,235 1,508 1,894 2,122 2,462 2,824 3,207 3,609 4,031 4,471 4,93
Профиль водослива вписывают в профиль глухой секции плотины таким образом, чтобы не допустить перерасход бетона и не уменьшить ширину профиля. Криволинейный оголовок переходит в прямолинейную низовую грань плотины в той точке, где наклон поверхности
практического профиля становится равным заложению низовой грани.
При большом напоре на гребне получают так, что гребень (порог) водослива смещен в верховую сторону относительно оси плотины. В этом случае часть порога располагают на консоли, которая нависает над верхним бьефом.
В высоконапорных плотинах (Н > 60 м) на скальном, полускальном основании сопряжение бьефов осуществляют путем отброса струи с носка трамплина. Дальность отброса струи
должна быть достаточной, чтобы образующаяся яма размыва не достигала подошвы плотины. Чтобы это проверить, при гидравлическом расчете необходимо определить длину отлета
струи и глубину ямы размыва.
24
Дальность отлета струи определяют высотным положением и углом наклона носка трамплина. Их выбор требует рассмотрения нескольких вариантов. В первом приближении можно
воспользоваться следующими рекомендациями.
Для обеспечения максимальной дальности отлета трамплин рекомендуют располагать
на высоте 10 м выше максимального уровня нижнего бьефа. Угол наклона носка трамплина принимают равным 20–30°. Чтобы обеспечить разворот струи, радиус поворота трамплина должен быть, как минимум, в 5 раз больше, чем толщина струи на носке трамплина —
это 10–25 м.
Дальность отлета струи (без учета влияния аэрации) определяют по формуле
L0 = cos αн (sin αн +
, (6.8)
)
где v1 — скорость струи на носке трамплина:
v1 = , (6.9)
здесь h1 — толщина струи на носке трамплина, м;
αн — угол к горизонту наклона струи, сходящей с носка трамплина, град; hп — превышение
оси струи на носке трамплина относительно уровня нижнего бьефа, м (рис. 6.1):
hп = s2 + cos αн, (6.10)
здесь s2 — высота носка трамплина относительно уровня нижнего бьефа, м.
2
v
/2g
0
v
0
y
0,5h
cosα
1
h
1
+α
н
v
1
h
п
s
1
н
s
x
s
2
θ
h
h
3
h
я.р
2
L
L
1
Рис. 6.1. Схема к расчету дальности отлета струи с носка трамплина:
h
— глубина ям размыва; θ — угол входа струи под уровень воды в нижнем бьефе
я.р
Толщину струи на носке трамплина с некоторой степенью приближения можно определить как сжатую глубину
hсж = , (6.11)
где φ — коэффициент скорости, отражающий потери энергии при движении потока по водосливу; Т0 — запас энергии верхнего бьефа относительно носка трамплина.
25
Если скорость подхода потока к водосливу мала, то Т0 равен разнице высот:
0 20 40 60 80 100 120 140 160
T0 = НПУ – тр, (6.12)
где тр — отметка носка трамплина.
С учетом влияния эффекта аэрации потока дальность отлета струи определяют по формуле
L = kа L0, (6.13)
где kа — коэффициент, учитывающий влияние аэрации струи на дальность ее отброса, который зависит от бурности потока; L0 — дальность отлета (отброса) струи без учета эффекта аэрации струи.
Коэффициент kа принимают в зависимости от числа Фруда струи на носке трамплина. По
рекомендациям [10] kа = 1 при Fr ≤ 35, kа = 0,8–0,9 при Fr > 35. По рекомендациям [11] kа принимают по графику на рис. 6.2.
1
k
а
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
Fr
Рис. 6.2. Зависимость коэффициента аэрации от числа Фруда
Число Фруда
Fr = , (6.14)
где v1, h1 — соответственно скорость и толщина струи на носке трамплина.
Определение глубины ямы размыва в скальном грунте представляет собой сложную задачу. Разными авторами предложен ряд эмпирических формул.
Ц.Е. Мирцхулава предложил следующую формулу для определения глубины воды в яме
размыва, образующейся за отбросом струи [10]:
h
где q — удельный расход потока, м3/(с·пог. м); η — коэффициент перехода от средних скоростей к мгновенным (1,5–2); W — гидравлическая крупность частиц, слагающих грунт, м/с;
vвх — скорость входа струи под уровень, м/с; θ — угол входа струи под уровень, град; hб —
бытовая глубина, м.
= 2,4q ( –
я.р
+ 0,25hб, (6.15)
)
26
Гидравлическую крупность частиц определяют с учетом эффекта аэрации воды:
W = , (6.16)
где ρs — плотность частиц грунта, т/м3; ρ
— плотность воды с учетом насыщения ее возду-
0,a
хом, т/м3; d90 — диаметр частиц грунта, меньше которых в грунте содержится 90 % по массе,
т.е. близкий к максимальному, м.
Содержание воздуха в аэрированной струе может достигать 80 % [11]. В этом случае
W ≈ 12 . (6.17)
Диаметр частиц d90 грунта в зависимости от его сохранности можно рекомендовать принимать: для скальных грунтов 0,5–1,5 м, для полускальных — 0,25–0,5 м.
Угол входа струи под уровень определяют из формулы
tgθ = . (6.18)
Скорость входа струи под уровень:
vвх = φ1 , (6.19)
где φ1 — коэффициент скорости, который учитывает потерю энергии потока воды при движении от носка трамплина до уровня нижнего бьефа.
Положение дна ямы размыва определяют от уровня воды с учетом угла наклона траектории центральной струйки к нижнему бьефу. Верховой откос ямы размыва можно принять
с заложением 3,0.
Проектируется бетонная водосливная плотина высотой 100 м на полускальном основании.
Сооружения гидроузла относятся к классу ответственности II. Для них при основном расчетном случае должен быть обеспечен пропуск расхода с вероятностью превышения 0,1 %. Такой расход составляет 2000 м3/с. Один из двух агрегатов ГЭС пропускает 110 м3/с.
Соответственно, пропускная способность водослива должна составлять
Qвс = Q
НПУ водохранилища — 97 м.
Уровень нижнего бьефа при пропуске расхода 2000 м3/с — 10 м, глубина нижнего бьефа — 5 м.
Для выбора количества и ширины водосливных пролетов определяют максимальный допустимый удельный расход.
Для полускального грунта принимают высокую допустимую скорость потока v
При глубине нижнего бьефа hб = 5 м допустимый удельный расход
0,1%
– Q
агр nагр.р
= 2000 – 110 ∙ 1 = 1890 м3/с.
= 6,5 м/с.
доп
q
доп
= v
= 6,5 ∙ 5 = 32,5 м3/(с∙пог. м).
доп hб
27
Требуемая ширина водосливного фронта
Bф = = = 58,1 м.
Принимают 3 пролета (n = 3) шириной b = 16 м. Один пролет располагают в пределах од-
ной секции шириной 20 м. Быки разрезные толщиной dр = 4 м, их два (nр = 2).
Ширина водосливного фронта
Bф = bn + dр nр = 16 ∙ 3 + 4 ∙ 2 = 56 м.
Она примерно соответствует ранее принятой (разница 3,5 %).
Так как количество пролетов мало (меньше 6), все их открывают при пропуске паводка (половодья) nо = 3.
Расход через одно водосливное отверстие:
Q1 = = = 630 м3/с.
Удельный расход водослива:
q = = = 39,4 м3/(с∙пог. м).
Проектируется водослив практического профиля с плоскими затворами. Отметку гребня
водослива определяют из условия обеспечения заданной пропускной способности водослива.
Учитывая большую ширину пролетов и небольшой удельный расход для размещения на пороге, потребуется устройство горизонтального участка. Принимают, что отношение ширины δ
вставки водослива практического профиля к напору H равно δ/H = 0,6.
В этом случае коэффициент расхода водослива практического профиля [9]
m = 0,36 + 0,1 = 0,36 + 0,1 = 0,446.
Коэффициент бокового сжатия принимают ε = 0,97.
Напор на гребне (пороге) водослива
Н = = = 7,50 м.
Площадь отверстия, перекрываемого затвором, составит 16 · 7,5 = 120 м2. Отверстие такой
площади может быть перекрыто плоским затвором.
Ширина вставки профиля: δ = 0,6H = 0,6 · 7,50 = 4,5 м.
Ширина горизонтального участка на гребне профиля:
δ
= δ – 0,3H = 4,5 – 0,3 ∙ 7,50 = 2,25 м.
гор
Построения показывают, что ширины вставки δ = 4,5 м достаточно для размещения основного и аварийно-ремонтного плоского затворов.
Построение профиля водослива выполняют по координатам Кригера – Офицерова. Схема
вписывания профиля водослива в профиль плотины показана на рис. 7.1.
28
Рис. 7.1. Схема вписывания профиля водослива
в профиль плотины
Сопряжение бьефов за водосливом осуществляют путем отброса с носка трамплина струи,
при падении которой в нижний бьеф в скальном грунте образуется яма размыва.
Носок трамплина расположен на отметке 20 м, т.е. s2 = 10 м на над уровнем нижнего бьефа (рис. 7.2). Трамплин выполняют с углом наклона к горизонту 25°.
Рис. 7.2. Схема сопряжения бьефов за водосливной плотиной
Рассчитывают глубину потока на носке трамплина как сжатую глубину. Коэффициент скорости принимают равным φ = 0,95.
Высота падения струи от НПУ до носка трамплина составит T0 = s1 = 77 м.
Сжатую глубину определяют путем подбора:
– в первом приближении hсж = 0 м;
– во втором приближении
hсж = = = 1,07 м.
Скорость струи на носке трамплина:
v1 = = = 36,7 м/с.
29
Число Фруда для струи на носке трамплина:
Fr = = = 128.
Превышение оси струи на носке трамплина относительно уровня нижнего бьефа:
hп = s2 + cos αн = 10 + cos 25° = 10,49 м.
Дальность отлета струи (без учета влияния аэрации) определяют по формуле [10]
L0 = cos αн (sin αн +
= cos 25° (sin 25° + = 124 м
При Fr = 128 коэффициент, учитывающий влияние аэрации струи на дальность ее отброса, по рекомендациям [11] (см. рис. 6.2) принимают kа = 0,51.
Дальность отлета струи с учетом влияния аэрации:
L = kа L0 = 0,51 ∙ 124 = 63,4 м.
)
=
Глубину воды в яме размыва подсчитывают по формуле Ц.Е. Мирцхулавы [10]. Для этого
нужно определить угол входа струи под уровень нижнего бьефа и гидравлическую крупность
частиц грунта основания.
Угол входа струи под уровень:
tgθвх = = = 0,629.
Угол входа θвх = 32,2°. На рис. 7.2 показывают траекторию полета струи от носка трамплина до входа струи под уровень нижнего бьефа под углом 32,2°.
Определяют скорость входа струи под уровень, принимая коэффициент скорости φ1 = 0,8:
vвх = φ
Для определения гидравлической крупности агрегатов грунта принимают, что их размер
достигает 0,25 м. При этом учитывают высокую степень аэрации отброшенной струи. По рекомендациям [11] принимают, что содержание воздуха в аэрированной струе достигает 80 %.
В этом случае гидравлическая крупность
Глубину воды в яме размыва определяют по формуле Ц.Е. Мирцхулавы [10]:
Глубина самой ямы размыва меньше на глубину воды в нижнем бьефе, т.е. она составляет 11 м.
На рис. 7.2 пунктиром показана предполагаемая яма размыва. Она находится далеко от подошвы сооружения.
1
h
= 2,4q ( –
я.р
= 2,4 ∙ 39,4
W ≈ 12 = 12 = 6,0 м/с.
(
= 0,8 = 31,4 м/с.
+ 0,25hб =
)
–
+ 0,25 ∙ 5 = 16,0 м.
)
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]