Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование бетонной гравитационной плотины на скальном основании. Учебно-методическое пособие
.pdf
Для строительства бетонной плотины (и других сооружений) в русловой части долины требуется отвод реки из русла. Котлован бетонных сооружений ограждают перемычками (верховой, низовой, иногда продольной), а воды реки пропускаются через водосбросы строительного периода.
В качестве строительных водосбросов могут использоваться:
– туннельные водосбросы в скальных берегах речной долины;
– временные водосбросные отверстия в теле бетонной плотины.
Строительные водосбросы, применяемые для пропуска воды на начальном этапе, до наполнения водохранилища должны располагаться на уровне дна реки.
Выбор способа пропуска воды в строительный период определяется несколькими факторами и зависит от типа компоновки водосбросных сооружений в составе гидроузла (русловая,
пойменная, береговая).
Применение временных водосбросных отверстий требует возведения плотины очередями. Например, в первую очередь на пойме возводят нижние части секций плотины, в которых
устраивают водосбросные отверстия, на втором этапе из русла отводят воду и возводят русловые секции (рис. 8.1). Такая схема соответствует пойменной компоновке. Для водосброса необходимо устройство подводящего и отводящего каналов. При такой схеме строительства может
потребоваться устройство продольных перемычек и использование двух очередей перемычек.
Рис. 8.1. Схема компоновки сооружений гидроузла с бетонной плотиной
в период строительства при пропуске воды через временные водосбросные отверстия:
1 — строящаяся бетонная плотина; 2 — возводимое здание ГЭС; 3 — верховая грунтовая перемычка;
4 — низовая грунтовая перемычка; 5 — секция бетонной плотины с донными водосбросными отверстиями;
6 — подводящий канал к строительному водосбросу; 7 — водобойный колодец строительного водосброса;
8 — отводящий канал строительного водосброса
31
Если плотину выполняют из укатанного бетона, то ее возведение очередями может удлинить сроки и увеличить стоимость строительства. Поэтому предпочтение могут отдавать схеме пропуска воды через специально устраиваемый строительный туннель (рис. 8.2). При необходимости могут быть устроены несколько туннелей.
Отвод воды в строительный туннельный водосброс также применяют, если речная долина — относительно узкая и нет возможности возводить плотину в два этапа. В этом случае
котлован русловой плотины полностью отгораживают от реки верховой и низовой перемычками.
Рис. 8.2. Схема компоновки сооружений гидроузла с бетонной плотиной
в период строительства при пропуске воды через строительный туннель:
1 — строящаяся бетонная плотина; 2 — возводимое здание ГЭС; 3 — верховая грунтовая перемычка;
4 — низовая грунтовая перемычка; 5 — туннельный водосброс строительного периода;
6 — подводящий канал к строительному водосбросу; 7 — водобойный колодец туннельного водосброса
Чтобы уменьшить поперечное сечение отверстий строительного водосброса, пропуск воды
осуществляют в напорном режиме. Напор создают путем возведения высокой грунтовой перемычки. При эксплуатации строительных туннелей перемычку целесообразно выполнять
высокой — 1/4–1/3 от высоты плотины. При использовании временных водосбросных отверстий в теле плотины площадь сечения строительного водосброса почти не ограничена, поэтому верховая перемычка может быть выполнена меньшей высоты (до 20 % высоты плотины).
Основная задача расчета пропуска строительных расходов — выбор габаритов поперечного сечения строительного водосброса и высоты верховой перемычки, достаточных для обеспечения необходимой пропускной способности. Строительный водосброс должен пропускать расходы как в меженный период, так и в период паводка.
Пропускную способность строительного водосброса в соответствии с [6] назначают в зависимости от класса ответственности временных сооружений (в том числе перемычек) и от длительности периода их эксплуатации (табл. 8.1).
32
Определениеклассаответственностигрунтовыхсооружений
Таблица 8.1
Тип грунтового основания
Скальные грунты
Песчаные, крупнообломочные грунты, глинистые грунты
в твердом и полутвердом состоянии
Класс сооружения при высоте H
III IV
20 м ≤ H < 50 м H < 20 м
15 м ≤ H < 35 м H < 15 м
Ежегодную вероятность превышения расчетных максимальных расходов для временных
сооружений класса ответственности IV назначают при сроке эксплуатации:
– до десяти лет — 10 %;
– более десяти лет — 5 %.
Ежегодную вероятность превышения расчетных максимальных расходов для временных
сооружений класса ответственности III назначают при сроке эксплуатации:
– до двух лет (включительно) — 10 %;
– более двух лет — 5 %.
Класс грунтовых перемычек назначают в зависимости от их высоты и типа грунтов основания [6].
Временными сооружениями являются строительные перемычки и строительные водосбросы.
Верховую и низовую перемычки обычно выполняют каменно-земляными или каменнонабросными. Каменно-земляные перемычки чаще выполняют с грунтовым экраном, поэтому
ее верховой откос положе (1:2,5) низового (1:1,5).
Временные водосбросные сооружения строительного периода выполняют по высоте примерно на отметке дна, для того чтобы при любом уровне воды в реке можно было бы беспрепятственно пропускать воду.
Временные водосбросные отверстия в теле плотины выполняют квадратного и прямоугольного сечений. Их должно быть, как минимум, два. Суммарная ширина отверстий в секции не должна превышать половины ширины секции. Размеры отверстий ограничены только
размерами затворов.
Основной затвор для перекрытия отверстия может устанавливаться на входе или в специально устраиваемых помещениях внутри тела плотины. На входе должен быть предусмотрен
паз для установки ремонтного затвора.
Как правило, напорный туннельный водосброс выполняют круглого поперечного сечения,
диаметр туннеля не превышает 14–16 м. На участке затворов сечение туннеля выполняют
прямоугольным, при этом оно может разделяться бычком на два или несколько отверстий.
Трассу туннельного водосброса выбирают таким образом, чтобы туннель был заглублен
в сохранный (не трещиноватый) скальный массив. Она может иметь один или несколько поворотов, но угол поворота должен составлять не более 60°. Поворот осуществляется плавным,
с закруглением. Радиус закругления должен превышать диаметр туннеля не менее чем в 3 раза.
Трасса водосброса включает не только сам туннель, но и подводящий и отводящий каналы, которые устраивают на тех участках трассы, где проходка туннеля невозможна или нецелесообразна. Обычно принимают, что высота скальной породы над туннелем должна составлять одну-две высоты туннеля.
Основной затвор, как правило, устанавливают в конце (на выходе) туннельного водосброса.
На входе в туннель должен быть предусмотрен паз для установки ремонтного затвора.
Входной портал строительного водосброса должен быть устроен, как минимум, до гребня
верховой перемычки.
33
Задача расчета — определение количества и габаритов напорных водоводов, обеспечивающих заданную пропускную способность.
Пропускную способность напорного водовода определяют формулой [9]
Q = μω , (8.1)
где µ — коэффициент расхода, приведенный к выходному сечению; ω — площадь сечения водовода, м2; Нд — действующий напор.
Отсюда при заданной пропускной способности требуемая площадь сечения водовода
ω = . (8.2)
Коэффициент расхода напорного водовода [9]:
μ = , (8.3)
где α
энергии); ξΣ — суммарный коэффициент сопротивления водовода, приведенный к выходному сечению,
— коэффициент Кориолиса для потока в выходном сечении (корректив кинетической
вых
ξ
здесь ω
противления и площадь поперечного сечения i-го участка водовода.
Если поперечное сечение водовода является неизменным по длине, то ξΣ представляет собой сумму коэффициентов сопротивления характерных участков водовода (за исключением
потерь напора на выход).
Величина коэффициента сопротивления на вход ξ
ного оголовка. Для закругляемого по радиусу оголовка отверстия величина ξвх изменяется от 0,04 (закругление с радиусом, превышающем высоту отверстия) до 0,4 (без закругления) [9].
Коэффициент сопротивления для потерь напора на трение (по длине) определяют по формуле
ξL = λ = λ , (8.5)
где λ — коэффициент гидравлического трения; L — длина участка, м; R, d — соответственно
гидравлический радиус, диаметр поперечного сечения участка, м.
Гидравлический радиус равен отношению площади сечения ω к смоченному периметру χ:
— площадь выходного сечения водовода; ξi, ωi — соответственно коэффициент со-
вых
= ∑
Σ
ξ
i
[
( )2 ]
, (8.4)
зависит от плавности формы вход-
вх
R = . (8.6)
Коэффициент гидравлического трения λ определяют режимом течения и шероховатостью
стенок водовода. Чем больше габариты водовода, тем меньше λ. Для туннеля с бетонной обделкой с достаточной точностью можно принять λ ≅ 0,010–0,012 (в зависимости от диаметра
туннеля), для временных водосбросных отверстий в теле плотины λ = 0,011–0,012.
34
Трассу туннельных водосбросов часто выполняют с поворотом. Коэффициент сопротивления при повороте на острый угол α определяют по формуле
ξα = ξ
где ξ
ξ
где R
— коэффициент сопротивления при повороте на 90° [11]:
90°
= [0,2 + 0,001(100λ)
90°
— радиус поворота оси туннеля, м.
пов
sin α, (8.7)
90°
8
]
, (8.8)
Действующий напор зависит от условий выхода потока в нижний бьеф.
Если струя выходит глубоко под уровнем нижнего бьефа, напор вычисляют как разницу
УВБ и УНБ:
Hд = УВБ – УНБ.
Если придонная струя не затоплена, напор отсчитывают от верхней кромки выходного сечения кр:
Hд = УВБ – кр.
Если выходное отверстие водосброса не затоплено, то оно может работать не в напорном режиме. Поэтому при расчете нужно выполнить проверку, является ли гидравлический режим напорным. Режим будет напорным, если критическая глубина потока будет больше высоты водовода. Для отверстия прямоугольной формы критическую глубину вычисляют по формуле
hкр = , (8.9)
где Q — расход, м3/с, через отверстие шириной b, м.
Так как коэффициент расхода и действующий напор заранее неизвестны, расчет требуемого сечения водосброса приходится выполнять последовательными приближениями.
На основании расчета необходимо принять конструктивные размеры сечения водосброса.
Высоту надо округлить в большую сторону по сравнению с расчетной с точностью до 0,5 м.
Если поток — бурный, то сопряжение бьефов за туннельным водосбросом осуществляется гидравлическим прыжком, — он возникает непосредственно на выходе из строительного водосброса. На этом участке должно быть выполнено крепление русла бетоном на длину прыжка.
Для сокращения длины крепления гидравлический прыжок должен быть надвинут. Условие затопления гидравлического прыжка имеет вид
h
где h
— раздельная глубина гидравлического прыжка, м; hб — бытовая глубина, м.
разд
Для затопления гидравлического прыжка может потребоваться устройство водобойного
колодца. Для более эффективного гашения энергии потока он может быть выполнен расширяющимся и в нем могут быть установлены гасители.
При проектировании водосброса требуется приближенно определить длину крепления
и требующуюся глубину водобойного колодца (при необходимости).
≤ hб, (8.10)
разд
35
Сжатую глубину hсж гидравлического прыжка приближенно можно принять равной высоте выходного сечения строительного водосброса.
Раздельная глубина гидравлического прыжка в призматическом русле:
h
разд
=
(
– 1), (8.11)
где α — коэффициент Кориолиса; Frсж — число Фруда для сжатого сечения.
За туннелем водобойный колодец может быть устроен расширяющимся. За рядом временных водосбросных отверстий в плотине расширение потока проявляется в меньшей степени.
При наличии расширения потока раздельная глубина прыжка уменьшается. В [11] приведена методика расчета гидравлического прыжка в плавно расширяющемся русле. Приближенно влияние расширения потока может быть учтено с помощью коэффициента kпр , учитывающего влияние пространственного расширения на раздельную глубину.
Глубину водобойного колодца, необходимого для затопления гидравлического прыжка,
определяют по формуле
d
где kз — коэффициент запаса; k
гас
кол
= kз k
гас kпр hразд
– hб, (8.12)
— коэффициент, учитывающий влияние гасителей на раз-
дельную глубину.
Коэффициент запаса рекомендуется принять kз = 1,05, для туннельного водосброса —
kпр ≈ 0,7.
Глубина водобойного колодца должна быть принята существенно больше вычисленной по
формуле. Она может быть определена более точно путем уточнения сжатой глубины с учетом
увеличения запаса энергии потока при устройстве колодца.
С учетом приближенности определения глубины колодца длину гидравлического прыжка
достаточно ориентировочно определить по формуле
Lпр = 6 (kпр h
– hсж). (8.13)
разд
Задача расчета — выбрать габариты туннельного водосброса для пропуска воды на время
строительства ранее рассмотренной бетонной плотины высотой 100 м.
Отметка дна реки — 205,0 м.
Максимальный расчетный расход с вероятностью превышения 5 % составляет
Q = 1305 м3/с, при вероятности 10 % — Q = 1050 м3/с. Глубина воды в реке соответственно со-
ставляет 3,6 м (УНБ 208,6 м) и 3,0 м (УНБ 208,0 м).
Пропуск воды необходимо осуществлять через туннель круглого сечения в напорном режиме.
Для создания напора предусматривают возведение высокой верховой грунтовой перемычки. Принимают высоту перемычки 30 % от высоты плотины, т.е. H
кой высоты на скальном основании относится к классу III. Если перемычка будет эксплуатироваться не более двух лет, то ежегодную вероятность превышения расчетных максимальных
расходов воды по [6] принимают 10 %. Тогда пропускная способность строительного водосброса Q
= 1050 м3/с.
10 %
= 30 м. Перемычка та-
пер
36
При заданной высоте отметка гребня верховой перемычки равна 235,0 м. Уровень верхнего
бьефа принимают на 1 м ниже отметки гребня верховой перемычки — УВБ 234,0 м.
Проектирование и расчет туннеля осуществляют последовательными приближениями.
Определяют требуемую площадь сечения туннеля исходя из условия обеспечения заданной пропускной способности.
В первом приближении действующий напор принимают равным разнице уровней бьефов:
Hд = УВБ – УНБ = 234 – 208 = 26 м.
Коэффициент расхода туннеля принимают равным µ = 0,8.
Вычисляют требуемую площадь сечения:
ω = = = 58,1 м2.
Диаметр, соответствующий данной площади:
d = 2 = 2 = 8,6 м.
Для удобства размещения затворов выходное сечение туннеля принимают прямоугольной
аналогичной площади. Высота выходного сечения
h
= = = 6,76 м.
вых
Отметка верхней кромки выходного сечения
кр
=
дна
+ h
= 205 + 6,76 = 211,76 м.
вых
После вычисления диаметра туннеля выполняют трассирование туннельного водосброса строительного периода. Так как правый берег — крутой, удобнее расположить туннель на
правом берегу. Трассу туннеля выбирают с одним поворотом, который соединяют два прямолинейных участка (см. рис. 8.2). Поворот осуществляют на угол α = 47,3° с радиусом, который
в 6 раз превышает диаметр туннеля.
На трассе туннеля предусматривают подводящий и отводящий каналы. Вход и выход
из туннеля выполняют в точке, где отметка рельефа местности составляет 225 м, т.е. на 20 м
выше дна (более 2 диаметров туннеля).
Длина туннеля складывается из длин двух прямолинейных участков туннеля и длины
участка поворота. Она составляет L = 301,5 м.
Выбрав трассу и узнав приближенный диаметр туннеля, уточняют действующий напор
и определяют действительный коэффициент расхода водосброса.
Так как верхняя кромка выходного сечения ( 211,76 м) располагается выше УНБ 208,0 м,
необходимо скорректировать действующий напор:
Hд = УВБ – кр = 234 – 211,76 = 22,24 м.
Для определения коэффициента расхода подсчитывают коэффициенты сопротивления.
Коэффициент сопротивления на вход принимают равным ξвх = 0,07 [11]. Такое значение может
быть достигнуто при закруглении оголовка радиусом r = 0,7d = 4,7 м.
Коэффициент гидравлического трения принимают равным λ = 0,010. При длине туннеля
301,5 коэффициент сопротивления по длине составит
ξL = λ = 0,01 = 0,350.
37
Радиус поворота оси туннеля принимают равным R
пов
= 6d.
Коэффициент сопротивления при повороте на 90° составит [11]
ξ
= [0,2 + 0,001 (100λ)
90°
8
]
= [0,2 + 0,001(100 ∙ 0,01)
8
]
= 0,082.
Трасса туннеля поворачивает на α = 47,3°, коэффициент сопротивления на поворот составит [11]
ξα = ξ
sin α = 0,082 sin 47,3° = 0,060.
90°
Подсчитывают:
– суммарный коэффициент сопротивления туннеля:
ξΣ = ξвх + ξL + ξα = 0,07 + 0,350 + 0,060 = 0,48;
– коэффициент расхода напорного водосброса по формуле, указанной в [9] (при этом коэф-
фициент Кориолиса принимают α
вых
= 1,1):
μ = = = 0,795;
– требуемую площадь поперечного сечения туннеля:
ω = = = 63,2 м2;
– диаметр туннеля:
d = 2 = 2 = 8,97 м.
Этот диаметр немного больше определенного ранее, но это различие составляет всего 4 %.
Округляют диаметр туннеля (с точностью до 0,5 м), окончательно принимают d = 9,0 м.
Требуемая высота прямоугольного сечения туннеля на выходе:
h
= = = 7,02 м.
вых
Диаметр туннеля принятого диаметра:
ω = d2 = 92 = 63,59 м2.
Сопряжение бьефов осуществляется гидравлическим прыжком. Определяют положение
прыжка и его длину.
Сжатую глубину гидравлического прыжка принимают равной высоте выходного сечения:
hсж = h
= 7,02 м.
вых
Вычисляют скорость потока на выходе из туннеля в сжатом сечении:
vсж = = = 16,6 м/c.
Число Фруда потока в сжатом сечении:
Frсж = = = 4,0 > 1,
значит, поток бурный.
38
Определяют раздельную глубину гидравлического прыжка в призматическом русле:
h
=
разд
Раздельная глубина намного больше бытовой (hб = 3 м), поэтому гидравлический прыжок
отогнан, необходимо устройство водобойного колодца для его затопления.
Глубину водобойного колодца, необходимого для затопления гидравлического прыжка,
определяют по формуле d
В нашем случае
С учетом приближенности расчета принимают глубину колодца 11 м.
Длину гидравлического прыжка приближенно определяют по формуле
(
кол
– 1) =
= kз k
гас kпр hразд
1,1 ∙ 0,9 ∙ 0,7 ∙ 17,6 – 3 = 9,2 м.
– hб.
(
– 1) = 17,6 м.
Lпр = 6 (kпр h
– hсж) = 6 (0,7 ∙ 17,6 – 7,02) = 31,9 м.
разд
Максимальный расход с вероятностью превышения 10 % составляет Q = 1050 м3/с. Глубина воды в реке — 3,0 м, УНБ — 208,0 м.
Пропуск воды осуществляют через четыре напорных отверстия (n = 4) прямоугольного сечения, расположенных в рамках одной секции шириной 40 м. Ширину отверстия принимают
b = 4,5 м, их общая ширина составляет B = 18 м, что меньше половины ширины секции.
Для проверки обеспечения напорного режима водосброса подсчитывают критическую
глубину потока:
hкр = = = 7,25 м.
Для создания напора предусматривают возведение высокой верховой грунтовой перемычки. Высоту перемычки берут 15 % от высоты плотины, т.е. H
метка гребня верховой перемычки равна 220,0 м. Грунтовая перемычка такой высоты в соответствии с [6] относится к классу IV.
Уровень верхнего бьефа принимают на 1,5 м ниже отметки гребня верховой перемычки —
УВБ = 218,5 м.
= 15 м. Соответственно, от-
пер
Требуемую высоту водосбросных отверстий находят из условия обеспечения заданной
пропускной способности. Расчеты выполняют последовательными приближениями.
Первое приближение
Действующий напор принимают равным разнице уровней бьефов:
Hд = УВБ – УНБ = 218,5 – 208 = 13,5 м.
Коэффициент расхода туннеля принимают равным µ = 0,8.
Вычисляют требуемую суммарную площадь сечения всех отверстий:
ω = = = 91,4 м2.
39
При такой площади высота отверстия
h = = = 5,30 м.
Так как критическая глубина больше высоты отверстия, значит, режим движения напорный.
Отметка верхней кромки напорного отверстия составит
кр
=
дна
+ h
= 205 + 5,30 = 210,30 м.
вых
Второе приближение
Так как верхняя кромка выходного сечения ( 210,30 м) располагается выше УНБ 208,0 м,
необходимо скорректировать действующий напор:
Hд = УВБ – кр = 218,5 – 210,3 = 8,2 м.
Для определения коэффициента расхода подсчитывают коэффициенты сопротивления напорного водовода.
Площадь сечения одного отверстия:
ω1 = bh = 4,5 ∙ 5,3 = 23,85 м2.
Смоченный периметр водосбросного отверстия:
χ1 = 2(b + h) = 2(4,5 + 5,3) = 19,6 м2.
Гидравлический радиус отверстия:
R1 = = = 1,22 м.
Коэффициент сопротивления на вход принимают равным ξвх = 0,07 [11]. Такое значение может быть достигнуто при закруглении оголовка радиусом r = 0,7h = 3,7 м.
Коэффициент гидравлического трения принимают равным λ = 0,012. Нарисовав галерею
в профиле плотины, определяют, что ее длина составляет L = 72 м. Коэффициент сопротивления по длине составит
ξL = λ = 0,012 = 0,18.
Суммарный коэффициент сопротивления туннеля:
ξΣ = ξвх + ξL = 0,07 + 0,18 = 0,25.
Коэффициент расхода напорного водосброса подсчитывают по формуле, указанной
в [9] (при этом коэффициент Кориолиса принимают α
вых
= 1,1):
μ = = = 0,861.
Уточняют требуемую площадь поперечного сечения водосбросных отверстий:
ω = = = 94,7 м2.
При такой площади высота отверстия составляет
h = = = 5,26 м.
Принимают высоту выходного сечения отверстия 5,3 м.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]