Г.Г.Круглов, П.М.Богославчик, Н.В.Сурма
Методическое пособие к курсовому проекту по курсу «Гидротехнические сооружения» для студентов специальностиТ19.04. ”Водохозяйственное строительство”
Министерство образования РеспубликиБеларусь
Белорусская государственнаяполитехническая академия
Кафедра ”Гидротехническое иэнергетическое строительство”
Минск 1997
Введение
Курсовойпроект «Плотина из грунтовых материалов с паводковым водосбросом» выполняетсястудентами в 7-м семестре при изучении дисциплины «Гидротехнические сооружения».Задачей курсового проекта является составление и расчетное обоснование в соответствии с действующей нормативной литературой проекта плотины из грунтовых материалов спаводковым водосбросом, а также закрепление знаний, полученных студентами приизучении соответствующих разделов курса, и приобретение опыта и навыковпроектирования.
Состав проекта
Вкурсовом проекте необходимо разработать следующие основные вопросы:
компоновкасооружений гидроузла;
конструированиепоперечного профиля и элементов плотины: гребня, берм, откосов, дренажа, противофильтрационныхустройств, креплений верхового и низового откосов и др.;
фильтрационныйрасчет земляной плотины;
расчетустойчивости низового и верхового откосов плотины;
выбори обоснование конструкции паводкового водосброса;
гидравлическиерасчеты водосброса;
выборсхемы пропуска строительных расходов.
Курсовойпроект состоит из расчетно-пояснительной записки, иллюстрированной соответствующимирасчетными схемами, вычерченными в масштабе на миллиметровой бумаге, ичертежей. На чертежах разрабатывается компоновка гидроузла, поперечные (порусловой и пойменной частям) и продольный разрезы по плотине, план и продольныйразрез по оси водосбросного сооружения и его характерные поперечные разрезы.
Врасчетно-пояснительной записке приводится краткая характеристика запроектированныхсооружений, их обоснование и расчеты.
2. Компоновка гидроузла
Внастоящее время проектируют и строят гидроузлы комплексного назначения, в составкоторых входят сооружения общие (плотины, водосбросы) и специальные (зданияГЭС, судоходные шлюзы, водозаборы и др.). Специальные сооружения изучаются всоответствующих дисциплинах, по которым студенты также выполняют курсовыепроекты, вследствие чего в настоящем проекте разрабатываются только два сооружения:плотина из грунтовых материалов и паводковый водосброс.
Таккак план стройплощадки студенту задается, то его первой задачей является выборствора плотины и оси водосбросного сооружения с учетом топографических,инженерно-геологических условий, а также требований охраны окружающей среды.
Припрочих равных условиях предпочтение следует отдавать тому варианту компоновкисооружений, который дает минимальную длину плотины и водосбросного тракта, атакже исключает возможность опасных размывов берегов и подмыва плотины присбросе воды в нижний бьеф.
Водосбросныесооружения бывают открытые или закрытые (туннельные и трубчатые).
Трубчатыеводосбросы располагают в теле плотины таким образом, чтобы они моглииспользоваться также и для пропуска строительных расходов в период возведенияплотины.
Открытыеводосбросы располагают или вне тела плотины, или они прорезают тело плотины вее береговых частях.
Примерыкомпоновок гидроузлов с плотинами из грунтовых материалов и береговымиводосбросами приведены в литературе [1,2,3].
Плотина из грунтовых материалов
Выбортипа и конструкции.плотины является основным вопросом проектирования, которыйрешается на основании технико-экономического сопоставления различных вариантовисходя из топографических, инженерно-геологических, гидрологических иклиматических условий, и прежде всего наличия грунтовых строительныхматериалов в близлежащих карьерах и максимального использования материалов изполезных выемок.
Земляныенасыпные плотины можно возводить из всех грунтов, кроме грунтов, содержащихрастворимые включения хлоридных солей более 5% по массе и содержащих не полностьюразложившиеся органические вещества также более 5% по массе.
Длястроительства однородных плотин чаще всего используются суглинки и супеси, атакже мелкозернистые и среднезернистые пески, обладающие достаточнойводонепроницаемостью и фильтрационной прочностью.
Песчаныеи гравийно-галечниковые грунты применяются для устройства тела (верховый инизовой призм) всех типов земляных плотин.
Противофильтрационныеэлементы плотины (ядра, экраны, понуры, зубья) устраиваются из маловодопроницаемыхгрунтов (глинистые грунты, торф, грунтовые смеси) с коэффициентом фильтрациименее 10-4 м/с.
Конструирование поперечного профиля иэлементов плотины
Основнойзадачей проектирования поперечного профиля плотины является определение отметкигребня плотины и его ширины, а также назначение заложения и очертания откосовплотины.
1.Гребень плотины обычно используется для устройства автомобильной или железнойдороги, размеры которых назначают, руководствуясь требованиями соответствующихнормативных документов. Основные параметры гребня плотины при устройстве на немавтомобильной дороги приведены в табл. 3.1.
Таблица 3.1Катего- Ширина, м
рия
дороги проезжей части обочин разделительной полосы
гребня
плотины 15,0 3,75 5 27,5 7,5 3,75 - 15,0 7,0 2,5 - 12,0 6,0 2,0 - 10,0 4,5 1,75 - 8,0
Приустройстве по гребню железной дороги ширина его должна быть не менее 13...15,5м.
Еслипроезд по гребню плотины не предусматривается, минимальная ширина его должнабыть 4,5 м. В месте сопряжения земляной плотины с водосбросным сооружениемгребень плотины уширяется с целью размещения на нем монтажной площадки (дляпроизводства ремонтных и монтажных работ по затворам) и затворохранилища. Длина монтажной площадки назначается равной (1,5...2,5)в гдев — ширина водосбросного отверстия.
Дляотвода поверхностных вод гребню плотины придается односторонний илидвусторонний поперечный уклон (рис.3.1), а на обочинах устраиваются ливнестоки.
Покрытиепроезжей части автодороги выбирается в зависимости от ее категории иукладывается на подготовку из гравийно-песчаного или щебеночного грунта. Еслигребень плотины сложен из глинистых грунтов, то для его защиты от промерзанияукладывается слой несвязного (песчаного) грунта, толщина которого, включая ипокрытие гребня, должна быть не менее глубины промерзания грунта в районе строительства.
Покраям гребня устраивается ограждение в виде надолб (бетонные столбики размерами1/>0,3/>0,3 м с шагом 4м и более). Со стороны верхнего бьефе может устраиваться сплошной волнозащитныйпарапет.
Отметкагребня плотины назначается на основе расчета необходимого возвышения его над уровнем воды в верхнем бьефе. При этом рассматриваются два случая стоянияуровня воды в верхнем бьефе:
1.Нормальный подпорный уровень (НПУ).
2.Форсированный подпорный уровень (ФПУ).
Возвышениегребня плотины hS в обоих случаях определяется по формуле
/>, (3.1)
где а — запас возвышения гребня плотины, принимаемый для всех классовплотин не менее 0,5 м;
/> — ветровой нагонводы в верхнем бьефе
/> (3.2)
Здесь/> - уголмежду продольной осью водоема и направлением ветра, град;
/> — расчетнаяскорость ветра на высоте 10 м над поверхностью водоема, м/с;
L — длинаразгона волны, м;
d — глубинаводы в ВБ при расчетном уровне, м;
/> — коэффициент, определяемый по табл. 3.2.
Таблица 3.2
/> , м/с 20 30 40 50
/>/>10-6 2,1 3 3,9 4,8
/> — высота наката на откос волнобеспеченностью 1%, м.
/>. (3.3)
Здесь/> — коэффициенты шероховатости ипроницаемости откоса, принимаемые по табл.3.3
Таблица 3.3Конструкция крепления откоса
Относительная шероховатость
r/h1%
Коэффициент
kr
Коэффициент
kp
Бетонные железобетонные
плиты - 1 0,9
Гравийно-галечниковое, каменное или крепление бетонными
(железобетонны-ми) блоками
Менее 0,002
0,005...0,01
0,02
0,05
0,1
Более 0,2
1
0,95
0,9
0,8
0,75
0,7
0,9
0,85
0,8
0,7
0,6
0,5
Примечание.Размер шероховатости " r " (м)принимается равным среднему диаметру зерен материалов крепления откоса.
Ksp — коэффициент, определяемый по табл.3.4.
Таблица3.4
Заложение откоса плотины m1 1...2 3...5 Более 5
Коэффициент ksp 20 и более
при скорости 10
ветра />, м/с 5 и менее
1,4
1,1
1,0
1,5
1,1
0,8
1,6
1,2
0,6
krun-коэффициент, определяемый по графику рис.3.2а, в зависимости от пологостиволны /> наглубокой воде;
h1% — высота волны 1% -й обеспеченности, м
/>. (3.4)
Здесьk1% — коэффициент, принимаемый по графику рис .3.2б;
/> — средняявысота волны, определяемая для глубоководной зоны, которая чаще всего имеетместо в ВБ земляных плотин, по верхней огибающей кривой графика рис. 3.2в взависимости от безразмерных величин /> и />. Из двух найденных значений /> принимают вкачестве расчетного меньшее.
Приподходе фронта волны к сооружению под углом a величина наката волны на откос уменьшается умножением накоэффициент, определяемый по табл. 3.5.
Таблица3.5Значение угла a, град 10 20 30 40 50 60
Коэффициент ka 1 0,98 0,96 0,92 0,87 0,62 0,76
Средняядлина волны /> определяетсяпо формуле
/> (3.5)
Здесь/> периодволны, определяемый по графику рис.3.2в. При определении />и />по формуле (3.1)обеспеченность скорости ветра для расчета элементов волн, наката и нагона приосновном сочетании нагрузок и воздействий (при НПУ) принимается для сoopужений I и П классов — 2%, а Ш и IУ классов — 4%. При особом сочетаниинагрузок и воздействий (при ФПУ) эти обеспеченности принимаются: для I и П классов-20%, Ш класса — 30%, IУ класса — 50%.
Издвух полученных результатов расчета (при НПУ и ФПУ) выбирается более высокаяотметка гребня.
Еслина гребне плотины устраивается сплошной волнозащитный парапет (его высотаобычно рввна1,2...1,5 м), то возвышение его верха над расчетным уровнем ВБопределяется по формуле (3.1), а отметка гребня плотины в этом случае назначаетсянаибольшей из следующих двух значений: отметка ФПУ или отметка НПУ плюс 0,3 м.
Откосыплотины. Выбор заложения (крутизны) откосов плотины производится на основеопыта строительства и эксплуатации аналогичных сооружений с учетомфизико-механических характеристик грунтов тела плотины и основания, действующихна откосы сил, высоты плотины, методов производства работ по возведению плотиныи условий ее эксплуатации. Назначенные заложения откосов затем проверяютсярасчетами статической устойчивости и при необходимости корректируются.
Ориентировочныезначения заложений откосов земляных плотин из глинистых и песчаных грунтов при наличии в основании
грунтовс прочностью, не меньшей, чем в теле плотины, приведены в табл. 3.6.
Таблица 3.6 Высота плотины, м Заложение откосов верхового низового 50 4...5 4...4,5
Приведенныев табл.3.6 данные относятся к средним по высоте значениям заложения откосов. Ввысоких плотинах откосы могут иметь переменное заложение, увеличивающеесясверху вниз, что позволяет запроектировать более экономичный профиль плотины,обеспечивая устойчивость его откосов.
Наоткосах высоких и средней высоты плотин устраиваются бермы (рис.3.1). Наверховом откосе бермы устраиваются в конце основного крепления, создавая емунеобходимый упор и обеспечивая возможность его осмотра и ремонта, и в местахизменения заложения откоса. На низовом откосе бермы служат для сбора и отводадождевых и талых потоков, предохраняя тем самым. низовой откос от размыва, атакже для обеспечения проезда в период строительства плотины. Иногда по бермамнизового откоса могут прокладываться автомобильные или железные дороги. Какправило, бермы устраивают в местах изменения заложения откоса и сопряжения телаплотины со строительными перемычками. Расстояние между бермами по высотеплотины принимается равным 10...15 м.
Ширинабермы назначается не менее 3 м, если по ней предусматривается проезд, и не менее 1...2 м, если проезд не предусмотрен.
Навнутренней стороне бермы устраивается кювет, служащий для сбора иорганизованного отвода дождевых и талых вод.
Крепленияоткосов. Откосы земляных плотин подвержены разрушающим воздействиям ветровыхволн, течений воды, льда,
атмосферныхосадков и т.д. Для предотвращения их разрушения предусматриваютсясоответствующие виды креплений.
Наиболеераспространенными видами креплений верхового откоса плотины являются:
а)Каменная наброска из несортированного камня. Такое крепление обычно применяетсяна откосах с заложением m ³ 2,5...3 при расчетной высоте волны до2,5...3 м. Необходимая из условия устойчивости масса отдельных камней в тоннахопределяется по зависимости:
/> , (3.6)
гдеrm, r — соответственно плотность камня и воды, т/м3;
/> - угол наклона откоса к горизонту,
Расчетныйдиаметр камня в метрах, приведенный к шару, вычисляется по формуле
/> (3.7)
Всоставе наброски из несортированного камня должно быть по объему не менее 50%материала с расчетным диаметром Dш. Толщина покрытия в этом случаепринимается
t ³3D85, (3.8)
гдеD85 — диаметр камня, масса которого вместе с массой болеемелких фракций составляет 85% массы всей каменной наброски;
б)Железобетонные крепления из монолитных или сборных плит.
Монолитныежелезобетонные плиты используются для крепления откосов плотин на крупных водохранилищахпри высоте волны от 2 до 4м. В плане они имеют прямоугольную форму ссоотношением сторон 1 /> 2, где bsl- меньшая сторона, располагаемая
перпендикулярноурезу воды, принимаемая равной 0,4/>, но не более 20 м. Швы междуплитами могут быть открытыми или закрытыми с уплотнениями в виде резиновыхдиафрагм, просмоленных деревянных или железобетонных досок.
Толщинамонолитных железобетонных плит может определяться из условия их устойчивости поформуле Шанкина П.А.
/> , (3.9)
гдеk — коэффициент, принимаемый равным 0,083при открытых швах и 0,11 — при закрытых швах;
rn — плотность материала плиты.
Сборныежелезобетонные плиты имеют размеры в плане от 1,5´1,5 м до 5´5 м в зависимости от условий ихтранспортировки и удобства укладки на откос. В процессе укладки плитыомоноличиваются в
секцииразмером в плане 20´20м и более. Применяются они обычно при высоте волны до 2,5...3 м.
Толщинасборных плит может быть определена по формуле Шайтана B.C.
/> , (3.10)
где/> -относительная длина ребра плиты;
w — коэффициент полноты погружения, определяемый по
табл. 3.7.
Таблица З.7
/> 1 1,2...1,5 2,2...2,8 3,5...4,3 5 ...6 w 1 0,75 0,67 0,6 0,5
Всевиды креплений верхового откоса плотины укладываются на подготовку в видеобратного фильтра, материал, число слоев и толщина которого выбирается взависимости от грунта откоса и наличия местных строительных материалов.
Обратныйфильтр под каменной наброской и плитами с открытыми швами может состоять изодного слоя разнозернистых материалов или двух слоев материалов с различными покрупности частицами, а также из искусственных водопроницаемых материалов(стекловолокна, минеральной ваты и др.). Под плитами с закрытыми швами, какправило, укладывается однослойный обратный фильтр. Минимальная толщинаподготовки 35 см. -
Креплениеверхового откоса плотины подразделяется на основное (в зоне наиболееинтенсивного волнового и ледового воздействий) и облегченное, располагаемоениже основного крепления.
Верхнейграницей основного крепления, как правило, является
гребеньплотины. Нижняя граница основного крепления принимается на отметке (рис.3.1),заглубленной на величину Нкр = 2h1% подминимальный уровень воды в водохранилище (УМО). Нижняя граница облегченногокрепления принимается на отметке, где донные волновые скорости не превышаютразмывающих скоростей для грунта откоса плотины. Ориентировочно нижнюю границуоблегченного крепления можно принимать на отметке, заглубленной на величину Нкр под нижнюю границу основного крепления.
Частьнизового откоса земляных плотин, подверженная воздействию льда и волн состороны нижнего бьефа, крепится аналогично верховому. Остальная часть низовогооткоса защищается от разрушения атмосферными осадками, либо посевом трав послою растительного грунта толщиной 0,2...0,3 м, либо отсыпкой гравия или щебнятолщиной 0,2 м.
Противофильтрационныеустройства. Противофильтрационные устройства выполняются из материаловзначительно менее водопроницаемых, чем материал тела плотины. Это либослабоводопроницаемые грунты (глины, суглинки и др.) и их смеси, либонегрунтовые материалы (бетон, железобетон, асфальтобетон, полимерные пленки ит.д.).
Вземляных плотинах чаще всего применяются грунтовые противофильтрационныеустройства в виде экранов, а при глубоком залегании водоупора — экранов всочетании с понуром и вертикальных ядер (рис. 3.1). Наклонные ядра применяютсяредко.
Толщинаядер и экранов принимается переменной, увеличивающейся сверху вниз. Минимальнаятолщина ядра или экрана поверху назначается в зависимости от используемых дляих возведения машин и механизмов, но во всех случаях должна быть не менее
0,8м (при использовании современных средств механизации обычно не менее 3 м).Толщина понизу назначается таким образом, чтобы градиенты фильтрационного потокабыли меньше их критических значений
/>, (3.11)
где J — действующий средний градиент напора вядре или экране;
dня-толщина ядра (экрана) понизу;
Н- напор на плотину;
kн — коэффициент надежности, принимаемый взависимости от класса капитальности плотины (табл.3.9);
JКр — критический средний градиент напора,принимаемый по табл.3.8.
Таблица3.8Грунт
Значение критических средних градиентов
напора JКр для понура ядра и экрана тела и призмы плотины Глина, глинобетон 15 12 8...2 Суглинок 10 8 4...1,5 Супесь 3 2 2. ..1 Песок: средний - - 1 мелкий - - 0,75
Отметкагребня ядра и экрана должна быть не ниже отметки ФПУ с учетом высоты наката иветрового нагона уровня воды. Сверху гребень ядра и экрана покрываетсязащитным слоем песка толщиной не менее глубины промерзания грунта в районестроительства плотины.
Еслитело плотины отсыпается из крупнозернистых грунтов (галька, гравий), то пограницам с ядром и экраном с верховой и низовой стороны укладывают переходныеслои по типу обратного фильтра. .
Сверховой стороны экран покрывается защитным слоем. Заложение откосов экрананазначается из условия обеспечения устойчивости на сдвиг защитного слоя поэкрану и экрана вместе с защитным слоем по грунту тела плотина. При этом наклонверхового откоса экрана к горизонту должен быть больше угла внутреннего трениягрунта тела плотины; заложение верхового откоса принимается не менее2,5...3.
Приглубоком залегании в основании плотины водоупора экран и ядро можетустраиваться с понуром. Как правило, понур выполняется из того же материала,что и экран. Длина понура назначается в соответствии с фильтрационнымирасчетами, чаще всего она равняется Ln=(1...2)Н. Толщина понура определяется из условия (3.11), причем минимальное еезначение должно быть больше 0,5 м. Для обеспечения хорошего сопряжения понура сэкраном толщина его увеличивается по направлению к экрану. Сверху понурпригружается защитным слоем из несвязного грунта толщиной не менее 1...2 м.
Еслипонур укладывается на крупнозернистый грунт или сильно трещиноватую скалу, подним устраивается обратный фильтр.
.Дренажные устройства. Дренажные устройства в теле земляной плотиныпредназначены для сбора и организованного отвода в нижний бьеф фильтрационногопотока, недопущения его выхода на незащищенный низовой откос плотины и в зону,подверженную промерзанию, а также ускорения консолидации глинистых грунтов иуменьшения порового давления в теле плотины и основании.
Обычнодренаж состоит из двух частей: приемной, которая выполняется в виде обратногофильтра, и отводящей, выполняемой из камня, дренажных труб, пористого бетона ит.д. По длине плотины могут устраиваться дренажи различной конструкции.Наиболее распространенные конструкции дренажей тела земляных плотин приведенына рис.3.3.
Дренажнаяпризма (банкет) устраивается чаще всего на русловых участках плотины.Превышение гребня дренажной призмы над максимальным уровнем воды в нижнем бьефеhs определяется с запасом на волнение идолжно быть не менее 0,5 м. Минимальная ширина призмы поверху 1 м. Дляпредотвращения выноса фильтрационным потоком мелких частиц грунта тела плотиныи основания в дренажную призму сопряжение ее с телом плотины и основаниемвыполняется в виде одного или нескольких слоев обратного фильтра.
Наслонныйдренаж применяется, как правило, на участках плотины, перекрывающих затапливаемуюпойму. Толщина наслонного дренажа назначается из условий производства работ, ноне менее
t = 5 d 85 + tf (3.12)
гдеtf — толщина обратного фильтра, принимаемаяне менее 20 см для каждого слоя.
Превышениегребня наслонного дренажа hsнад максимальным уровнем НБ принимается как для дренажной призмы.
Трубчатыйдренаж используется на тех участках плотины, где отсутствует вода в нижнембьефе. Выполняется он из гончарных, перфорированных бетонных илиасбестоцементных труб, в также труб из пористого бетона, уложенных суклоном параллельно подошве низового откоса и обсыпанных обратнымфильтром. Поперечное сечение дренажных труб определяется гидравлическим расчетом из условия обеспечения в них безнапорного движения воды. Минимальныйдиаметр дренажных труб 200 мм. По длине трубчатого дренажа через каждые50...200 м устраиваются смотровые колодцы.
Сопряжениетела плотины с основанием, берегами и бетонными сооружениями. Для обеспечениянадежного контакта тела плотины с основанием предусматриваются следующиемероприятия:
а)При скальном основании с поверхности удаляются аллювиальные отложения и верхнийсильнотрещиноватый слой скалы. Крупные тектонические трещины очищаются изаделываются бетоном. Противофильтрационные устройства тела плотины врезаются воснование в виде зуба, а в грунте основания устраивается противофильтрационнаязавеса (глубина ее обычно равна (0,5..0,8)Н);
б)При нескальном основании удаляется верхний растительный слой грунта,пронизанный корневищами деревьев и кустарников (0,3 ...0,5 м). Сопряжения ядраили экрана с водонепроницаемым основанием выполняется в виде зуба. Если плотинарасполагается на водопроницаемом слое небольшой мощности, то сопряжение телаплотины или ее противофильтрационных устройств с водоупором осуществляется припомощи глубокого зуба, стенки, шпунта или инъекционной завесы. При значительноймощности водопроницаемого слоя могут выполняться шпунтовые ряды, буробетонныеили траншейные стенки, инъекционные завесы или устраивают плотины с экраном ипонуром. Противофильтрационные устройства в основании плотины всегда должнысопрягаться с противофильтрационными элементами тела плотины.
Сопряжениетела плотины с берегами осуществляется по наклонным плоскостям, при планировкекоторых необходимо избегать резких переломов и нависающих участков.
Дляобеспечения хорошего контакта грунта тела плотины с бетонными сооружениями(плотины, водосбросы, здания ГЭС и т.д.) их примыкающим поверхностях придаетсяуклон в сторону земляной плотины не более чем 10:1. Для борьбы с контактнойфильтрацией сопряжение бетонных сооружений с земляной плотиной осуществляетсяпри помощи противофильтрационных диафрагм из бетона, железобетона или металлическогошпунта, врезающихся в тело плотины. Диафрагмы располагают в зонепротивофильтрационных элементов, а в однородных плотинах — в пределахверхового клина или центральной части плотины.
3. 2. Фильтрационные расчеты.
Фильтрационныерасчеты земляных плотин выполняются с целью определения положения депрессионнойкривой, установления градиентов и скоростей фильтрационного потока иопределения фильтрационного расхода.
Длявыполнения этих расчетов плотина со всеми элементами вычерчивается намиллиметровой бумаге, устанавливаются коэффициенты фильтрации грунта основания(kос), тела плотины (kт) и противофильтрационного устройства, атакже местоположение водоупора. За водоупор принимается грунт, соответствующийусловию kт / kос />25. Расчеты выполняются для двух поперечных сечений плотины с различными конструкциями дренажных устройств: врусле (максимальная высота плотины и наличие воды в НБ) и на пойме (приотсутствии воды в НБ). В качестве расчетных уровней воды принимаются: в верхнембьефе — НПУ; в нижнем бьефе (для руслового сечения) — максимально возможныйуровень, но не более 0,2 Нпл (Нпл — высота плотины), т.к.результаты фильтрационных расчетов в дальнейшем будут использоваться дляпроверки устойчивости откосов плотины.
Всоответствии с принятым типом плотины, конструкцией противофильтрационных идренажных устройств выбирается расчетная схема плотины и соответствующий ейметод фильтрационного расчета. Расчетные схемы и методы приведены в литературе[1,2,4]. Фильтрационные расчеты выполняются на ЭВМ.
3. 3. Расчеты устойчивости откосов.
Цельюрасчета является определение минимальных коэффициентов запаса устойчивостиоткосов плотины для принятого поперечного профиля. Найденный минимальныйкоэффициент должен быть равным или большим (но не более чем на 10%) допустимогокоэффициента запаса устойчивости откоса, принимаемого по табл. 3.9.
Расчетыустойчивости откосов земляных плотин всех классов выполняются для плоскойзадачи (на 1 п.м. длины плотины) по методам плоских иликруглоцилиндрических поверхностей скольжения.
Таблица3.9Сочетание нагрузок Значение [ K] для плотин класса и воздействий I II III IV Основное 1,25 1,2 1,15 1,10
Особое 1,1 1,1 1,05 1,05 /> /> /> /> /> /> />
Расчетустойчивости экрана и защитного слоя. Этот расчет выполняется по методуплоских поверхностей скольжения, проходящих по контакту защитного слоя и экрана(проверка устойчивости защитного слоя) и по контакту экрана и тела плотины(проверка устойчивости экрана вместе с защитным слоем).
Коэффициентзапаса устойчивости защитного слоя или экрана вместе с защитным слоемопределяется как отношение пассивного ЕП и активного Еа давлений,действующих соответственно слева и справа от вертикали АВ (рис.3.4)
К/>/>= />, (3.13)
Еа = G1 cosq1 sinq1 , (3.14)
ЕП = G1 cos2q1tgj + G2tg(j + q2) + C(L1cosq1 + L2cosq2). (3.15)
ЗдесьG1 — вес защитного слоя (или экрана с защитным слоем)
справа от вертикали АВ;
q1 — угол наклоназащитного слоя или экрана к горизонту;
j - угол внутреннего трения (не контакте двух грунтов принимается меньшеезначение);
G2 — вес части защитного слоя (или экрана сзащитным слоем) слева от вертикалиАВ, дающий минимальное значение слагаемого G2tg(j+/>2). Минимальное значение этого слагаемого определяется подбором,задаваясь различными значениями угла q2 c интервалом 50, начиная c q2 =0°;
С - сцепление (при расчете защитного слоя С =0);
L1 = BD — длина плоскости скольжения защитного слоя по экрану (илиэкрана вместе с защитным слоем по телу плотины);
L2 - длина основания защитногослоя (или экрана вместе с защитным слоем) слева от вертикали АB, соответствующая, минимальному значению слагаемого
G2tg(j+/>2) .
ЕслиG2tg(j+/>2)min при q2 = 0, то L2 = ВС.
Расчетустойчивости низового откоса. Расчет устойчивости низового откоса плотинывыполняется по методу круглоцилиндрических поверхностей скольжения дляосновного расчетного случая, соответствующего установившейся фильтрации в телеплотины, когда уровень воды в BБ равен НПУ, а в нижнем бьефе - максимальновозможному уровню, но не более 0,2 Нпл.
Намиллиметровой бумаге в масштабе вычерчивается поперечное сечение плотины врусловой ее части (рис. 3.5), наносится кривая депрессии, а низовой откос спеременным заложением или при наличии на нем берм усредняется. Из серединыэтого откоса (точка «с») проводится вертикаль СД и линия СЕ под углом850к откосу. Из точек «А» и «В» как из центровочерчиваются две дуги окружности с радиусом R0, которые пересекаютсяв точке «0». Значение радиуса определяется как
R0 = /> (3.16)
ВеличиныRH и RB определяются по табл. 3.10 в долях высота плотины.
Проведяиз точки «с» дугу радиусом r = ОС/2 до пересечения с линиями СД и СЕ, находится многоугольникOedba, в котором располагаются центры наиболееопасных поверхностейскольжения.
Расчетнаякривая скольжения радиусом R должна пересекать гребень плотины и захватыватьчасть основания плотины, если в основании расположен нескальный грунт. В случаескального грунта основания кривая скольжения должна касаться его поверхности.
Таблица 3.10
Значения радиусов RHи RB Заложение откоса, м
1 2 3 4 5 6
RH/Hпл 1,1 1,4 1.9 2,5 3,3 4,3
RB/Hпл 2,2 2,5 3,2 4,7 5,8 6,7
/> /> /> /> /> /> /> /> />
Выделеннаяпризма обрушения разбивается на «n»отсеков шириной b = 0,1 R. Разбивку на отсеки начинают снулевого, середина которого располагается на вертикали, проходящей через центркривой скольжения,
Коэффициентзапаса устойчивости низового откоса определяется по формуле А.А.Ничипоровича
Ks = />, (3.17)
где Gi - вес грунта и воды в пределах i -го отсека;
Рi — равнодействующая давления воды поподошве i -го отсека;
ji — угол внутреннего трения грунта i -го отсека;
ai - угол между вертикалью и линией, соединяющей центр кривой скольжения ссерединой i -го отсека;
ci - удельное сцепление грунта i-го отсека полиния кривой скольжения
Вобщем случае, если в пределах рассматриваемого отсека проходит криваядепрессии, а над отсеком имеется столб воды, вес его определяется по формуле
Gi = (/>gi +/>g нiт.п. + />/> + hi/>) bi , (3.18)
где /> - высота части отсека, отлинии откоса до кривой депрессии, измеренная по его середине;
/> — высота части отсека, насыщенного водой (от подошвы плотины до кривойдепрессии);
/> -высотачасти отсека от кривой скольжения до подошвы плотины;
hi - высота столба воды над отсеком;
/>, g нiт.п.,/> - удельный вес грунта естественнойвлажности и грунта тела плотины и основания насыщенного водой;
/> - удельный вес воды.
Равнодействующаядавления воды по подошве отсека определяется как сумма взвешивающего, фильтрационногои порового давления
Рi=PВЗ+РФ+РК (3.19)
Поровоедавление РК необходимо учитывать при расчетах устойчивости откосовплотин высотой более 40м, а также при расчетах плотин высотой менее 40 м вследующих случаях: при намыве грунта или отсыпке его в воду, при возведенииплотин из маловодопроницаемого грунта, при наличии в основании плотиныглинистых грунтов мягкопластичной, текучепластичной и текучей консистенции.
Прирасчете устойчивости низового откоса в условиях установившейся фильтрации равнодействующая давления воды будет состоять из фильтрационного ивзвешивающего давления и определяется по формуле:
Рi =/>(/>+ />/>)bi/cosai (3.20)
Расчетыпо определению коэффициента запаса устойчивости удобно вести в табличной формеследующего вида.
Таблица3.11
№
отсеков sin a cos a
/>м
/>м
/>
м
h,,
м
G,
кН
Pi,
кН tgj
(Gcos a/> — P/>)tgj
кН
C,
кПа
/>, кН
Gsin a
кН 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
S(11) S(13)S(14)
Примечание.При b = 0,1 R величина sin a равна порядковому номеру отсека, деленному на десять.
cos a = /> (3.21)
Суммыграф 11, 13, 14 дают соответствующие члены формулы (3.17).
Расчетыустойчивости низового откоса для одной кривой скольжения выполняются вручную, анахождение минимального значения осуществляется на ЭВМ.
Расчетустойчивости верхового откоса. Расчеты устойчивости верховых откосоводнородных земляных плотин и плотин с центральным ядром выполняются тем жеметодом круглоцилиндрических поверхностей скольжения, который используется длярасчета устойчивости низовых откосов. В качестве основного расчетногопринимается случай максимально возможного снижения уровня воды в водохранилищес наибольшей возможной скоростью с учетом сил давления воды при неустановившейсяфильтрации.
Коэффициент запаса устойчивости верхового откоса плотин определяется по формуле(3.17), в которой равнодействующая дав-
ленияводы по подошве отсека согласно предложению Бишопа вычисляется, как
Рi = ( /> + hi - hiru) gw/> , (3.22)
где ru — коэффициент порового давления,определяемый по графику (рис.3.6.) в зависимости от плотности скелета грунта ипределов пластичности и текучести.
Вэтом случае при определении веса отсеков принимается удельный вес грунта,насыщенного водой, а вес столба воды над отсеками не учитывается.
4. Водосбросное сооружение.
Всоставе низко- и средненапорных гидроузлов с земляной плотиной могутустраиваться открытые и закрытые (трубчатые) водосбросные сооружения.
Открытыеводосбросные сооружения могут располагаться в теле земляной плотины (этоводосбросные плотины, которые здесь не рассматриваются, т.к. они являютсяпредметом второго курсового проекта по гидротехническим сооружениям) и внетеле плотин (на берегу) - это береговые водосбросы.
Выбортипа водосбросного сооружения зависит от типа плотины и напора на ней, величиныпаводковых и строительных расходов, топографических, геологических игидрологических условий района строительства, общей схемы организации работ ипропуска строительных расходов и др., и осуществляется на основаниитехнико-экономического сравнения вариантов.
Береговыеводосбросы применяются в составе гидроузлов низкого и среднего напоров сгрунтовой плотиной при паводковых расходах, не превышающих 5000 м3/с.При тех же условиях и небольших паводковых расходах (до 100 м3/с,иногда больше), а также узких створах целесообразно применение трубчатыхбашенных водосбросов, т.к. они используются первоначально для пропускастроительных расходов, а в период эксплуатации они служат также и для смываотложившихся наносов, и для опорожнения водохранилища.
Башенные водосбросы.
Башенныеводосбросы (рис. 4.1а) состоят из: головной части (башни), одной или несколькихтруб и концевого участка в виде водобойного колодца или носка-трамплина,который используется для отброса струи и применяется обычно в случае скальногооснования. Ось башенного водосброса трассируется по возможности перпендикулярнок оси плотины в русле или в пониженных местах поймы.
Вбашне размещаются ремонтные и рабочие затворы, перекрывающие входные сеченаятруб, сороудерживающие решетки и механизмы для маневрирования ими, а такжеслужебные помещения. Сечение башни в плане может быть круглым илипрямоугольным. Размеры ее зависят от диаметра трубопроводов. Толщина стенокбашни обычно уменьшается снизу вверх, но она не должна быть меньше 20 см.
Размещатьбашню можно в зоне подошвы верхового откоса плотины, в средней его части или угребня плотины, но всегда она должна располагаться на прочном материковомгрунте.
Трубымалого диаметра могут быть металлическими или железобетонными. Металлическиетрубопроводы чаще всего укладываются внутри железобетонных галерей, которыеиспользуются в период возведения гидроузла для пропуска строительных расходов.
Снаружиметаллические трубопроводы покрываются антикоррозионным покрытием.
Трубыбольших поперечных сечений выполняются из железобетона с круглыми, овальнымиили прямоугольными отверстиями. При устройстве нескольких труб они объединяютсяв общую многоочковую конструкцию. Внешние поверхности железобетонных трубделаются вертикальными.или наклонными, что целесообразнее с точки зрениясопряжения их с телом плотины. Трубы должны располагаться на плотном грунтеоснования на уровне подошвы плотины или ниже ее, в траншее. По длине трубыразрезаются температурно-осадочными швами на секции длиной не более I0...15 м. Для предотвращения фильтрации воды через швы ониуплотняются шпонками, а для борьбы с контактной фильтрацией воды вдоль трубы, вместах стыков секций устанавливаются противофильтрационные ребра (диафрагмы).
Подходнойучасток к башенному водосбросу выполняется в виде канала, рассчитанного напропуск строительного расхода. Дно и откосы его крепятся каменной неброской илибетонными плитами в зависимости от скорости течения.
Пропускнаяспособность напорных башенных водосбросов (Q) определяется по формуле:
Q = m w/> , (4.1)
где w - площадь выходного поперечногосечения трубы;
- коэффициент расхода;
g — ускорениесвободного падения;
Нq- действующий напор, принимаемый равным разности между расчетным уровнем воды в верхнем бьефе (НПУ) и центром тяжестивыходного сечения трубы при незатопленном истечении, и разности НПУ и уровнянижнего бьефа, соответствующего пропуску расчетного расхода, — при затопленномвыходном отверстии.
Коэффициентрасхода напорного башенного водосброса
m = /> , (4.2)
где/> - сумма коэффициентов сопротивленийместных и по длине.
Вглубинных водосбросах постоянного поперечного сечения, работающих в напорномрежиме, надлежит учитывать следующие виды местных сопротивлений:
-на вход (коэффициент сопротивления для прямоугольного входа xвх = 0,42, при криволинейном очертании ( по радиусу) — 0,10,для определения xвх других форм оголовков имеются специальныеграфики [10];
- в пазах плоских затворов при относительной ширине паза
bп/ b 0,2 xп =0,1. Здесь b — ширина водосбросного отверстия научастке размещения затворов, bп - ширина паза. Для двух и болеепоследовательно расположенных пазов затворов коэффициенты сопротивлений следуетсуммировать — на сороудерживающей решетке
xр = b( />)4/3sin a (4.3)
гдеs — толщина стержня решетки;
bc — величина просвета между стержнями;
b — коэффициент, зависящий от формыстержней ( при круглой форме стержней b = 1,79);
a — угол наклона решетки к горизонту.
Еслиглубинные водосбросы имеют повороты, сужение, расширение и т.д. коэффициентсопротивления для них определяется по [10].
Коэффициентсопротивления по длине
xдл. = />, (4.4)
где l — длина трубы;
R = /> -гидравлический радиус;
c- смоченный параметр.
Длякруглого сечения R = />, где d — диаметр трубы.
С- коэффициент Шези, может быть определен по формуле Манинга
С = /> , (4.5)
где n — коэффициент шероховатости (для бетоннойповерхности, он может быть принят равным 0,012 [10]).
Гидравлическийрасчет башенного водосброса выполняется в следующем порядке:
Напоперечном разрезе земляной плотины выбирают местоположение башни и определяютдлину трубы.
Задаютсяформой и размерами поперечного сечения трубы, ее продольным уклоном и поформуле Шези
Qтр. = wс />, (4.6)
находятпропускную способность одной трубы.
Здесьw — площадь живого сечения одной трубы;
С - коэффициент Шези;
R — гидравлический радиус;
J - уклон дна трубы.
Определяютнеобходимое количество труб для пропуска в безнапорном режиме строительного расхода
n = /> (4.7)
Позависимости (4.1) проверяют пропуск расчетного паводкового расхода черезнайденное ( по условиям пропуска строительного расхода) количество труб. Если принятогоколичества труб и их размеров оказывается недостаточно для пропуска расчетногопаводкового расхода, то увеличивают либо размер поперечного сечения трубы, либоколичество труб.
Береговые открытые водосбросы.
Открытыебереговые водосбросы состоят из подводящего канала, головной части в видеводосливной плотины, регулирующей сбрасываемый расход, сопрягающего сооруженияи отводящего канала. Иногда между водосливной плотиной и сопрягающим сооружением устраивается промежуточный канал. Ось водосбросного трактастремятся трассировать перпендикулярно горизонталям по возможности прямолинейной, что дает минимальную его длину.
Трассаводосброса может быть криволинейной, она может проходить в пределах плечаплотины или вне ее.
Повыбранной трассе водосбросного тракта на миллиметровой бумаге в масштабестроится продольный профиль дневной поверхности. На профиль наносятся всеэлементы водосброса таким образом, чтобы основания всех сооруженийрасполагались на прочном коренном грунте при минимальных объемах земляных работпо устройству котлованов под сооружения водосброса.
Подводящийканал должен обеспечивать плавный подвод воды к водосливу. В плане он обычно имееткриволинейное очертание. При больших глубинах канал может выполнятся сгоризонтальным дном, а при малых глубинах - с обратным уклоном, что обеспечивает более равномерный и плавный вход в него воды. Поперечное сечениеподводящего канала трапецеидальное с заложением откосов от 1,5 до 2,5 в нескальныхгрунтах и от 0,5 до вертикальных — в скальных. Если скорость потока в каналепревышают допустимые по размыву, дно и откосы его укрепляются каменнойнаброской или бетонными плитами.
Головнаячасть представляет собой водосливную плотину с широким порогом прямолинейногоочертания в плане. Водосливной фронт плотины делится быками на отдельныеводосливные отверстия, перекрываемые рабочими и ремонтными затворами.Стандартные размеры водосливных отверстий приведены в табл.4.1.
Таблица 4.1
Пролет (ширина)
отверстия,
b, м 0,4 0,6 0,8 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 3 3,5 4 4,5 5 6 7 8 10 12 14 16 18 20 22 24 27 30 Высота отверстия, H, м 0,6 0,8 1 1,25 1,5 1,75 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 10 11 12 13 14 15 16
Гидравлическийрасчет водосливной плотины с широким порогом состоит в определении размеров(ширины и высоты) водосливных отверстий, их количества и проверки пропускнойспособности принятых размеров водосливных отверстий по формуле:
Q = snemnb/> (4.8)
гдеsn — коэффициент подтопления водослива;
e- коэффициент бокового сжатия;
m — коэффициентрасхода водослива;
H0 — напор на водосливе с учетом скоростиподхода;
g - ускорениесвободного падения;
n — количествоводосливных отверстий;
b — ширинаводосливного отверстия.
Впервом приближении принимают sn = 1,0, e = 1,0,
m = 0,32...0,38и H0 = H. Величиной H задаются в пределах 2...5 м в соответствии со стандартнымиразмерами отверстий (табл. 4.1).
Подставляяв формулу (4.8) ориентировочные значения s, e, m и H определяютвеличину n.b. Понайденной величине, в соответствии со стандартными размерами отверстий (табл.4.1) и учитывая, что по условиям эксплуатации количество водосливных отверстийследует принимать не менее трех назначают ширину водосливного отверстия и ихколичество.
Послеопределения высоты (H), ширины (b) и количества водосливных отверстий производится проверкапропускной способности проектируемой плотины.
Для этого необходимо уточнить значения H0, m, e и sn.
Напорс учетом скорости подхода определяется по зависимости
Н0= Н + />, (4.9)
где g — ускорение силы тяжести, принимаемоеравным 9,81 м2/с;
a — коэффициент Кориолиса, равный 1...1,1;
V0 — скорость подхода, равная среднейскорости в ВВ в сечении, отстоящем от напорной грани водослива на расстоянии(3...5) Н.
Еслинепосредственно за головной частью устраивается сопрягающее сооружение (быстроток,перепад и т.д.), то водосливная плотина с широким порогом будет неподтоплена икоэффициент подтопления sn =1.
Коэффициентбокового сжатия для водосливов с широким порогом рекомендуется определять по А.Р. Березинскому [10]
e = 1 — />, (4.10)
где р — высота водослива;
a = 0,1 - при плавном очертании быков и устоев;
a = 0,19- при их прямоугольном очертании;
b - ширина водосливного отверстия;
d - толщина бычка.
Толщинанеразрезного бычка
d = d0+ 2n, (4.11)
здесьd0³ 0,8м — толщина суженного пазами перешейка быка;
n = /> - глубина паза рабочих затворов;
m = (/>) b — ширина паза рабочих затворов.
Вслучае разрезного быка толщина его, вычисления по (4.11), увеличивается на 0,5...1,0м.
Формула(4.10) справедлива при
/>> 0, 2 и /> =0,2, а при />>3 — принимать /> = 3.
Дляводоемов с широким порогом при 2,5 £ /> £10 и
0£ /> £ 3 коэффициент расхода определяется по А.Р.Березинскому[10]:
— при закругленном входном ребре
m = 0,36 + 0,01/> (4.12)
— при прямоугольном входном ребре
m = 0,32 + 0,01/> (4.13)
Уточнивтаким образом все выше перечисленные параметры, производят проверку пропускнойспособности принятых размеров водосливных отверстий
Q = snmenb/> H03/2³ Qр.п. (4.14)
Еслисопрягающее сооружения располагается непосредственно за водосливной плотиной(промежуточный канал отсутствует), то устройство для гашения кинетическойэнергии сбрасываемого потока не устраивается. При наличии промежуточного каналанеобходимо выполнить расчет сопряжения бьефов (за бытовую глубину в НБводослива принимается расчетная глубина воды в канале) и предусмотреть устройствадля гашения энергии сбрасываемого потока.
Промежуточныйканал проектируется в том случае, когда продольный профиль дневной поверхностипо оси водосбросного тракта имеет небольшой уклон и устройство сопрягающегосооружения непосредственно за водосливом ведет к резкому увеличению объемовземляных работ в котлованах сооружений. Уклон дна канала принимается меньшекритического, расчет выполняется по формулам равномерного движения воды.Поперечное сечение промежуточного канала трапецеидальное, дно и откосыкоторого могут крепиться каменной неброской или бетонными плитами взависимости от скорости потока и геологических условий.
Сопрягающеесооружение в береговых открытых водосбросах низко- и cредненапорных гидроузлов устраиваются в виде быстротоков,быстротоков с усиленной шероховатостью, консольных перепадов и многоступенчатыхперепадов.
4.2.1.Быстроток выполняется в виде бетонного или железобетонного лотка спрямоугольным, трапецеидальным или полигональным поперечным сечением (рис.4.1б). Уклон дна быстротока принимается всегда больше критического и наиболеечасто задается в пределах 0,05...0,25. Ширина быстротока может бытьпостоянной или переменной, что обуславливается как условиями гашения энергии внижнем бьефе, так и возможностью некоторого сокращения объемов работ.
Вбыстротоках небольшой ширины на нескальном основании стенки и днищапредставляют собой монолитную неразрезную конструкцию докового типа. В широкихбыстротоках боковые стенки отрезаются от днища деформационными швами. Толщинаднища принимается 0,3… 0,8 м, стенки и днище по длине лотка разрезаютсядеформационными швами через 20...25 м.
Впрочных скальных породах бетонная облицовка не устраивается, а в слабыхскальных и полускальных породах дно и откосы быстротока покрываютсязаанкеренной бетонной облицовкой толщиной 0,2… 0,3 м .
Вплане быстротокам необходимо придавать прямолинейное очертание, но иногда дляуменьшения объемов строительных работ устpaивают быстротоки с виражом. Накриволинейном участке дну быстротока придается поперечный уклон, вогнутаябоковая стенка его делается большей высоты, чем выпуклая.
Вбыстротоках большой ширины, а также на криволинейных участках без поперечногоуклона дна, для обеспечения устойчивости потока в поперечном направленииустраивают продольные раздельные стенки.
Привысоком положении уровней фильтрационного потока по трассе быстротокаустраивается дренаж под днищем и за боковыми стенками. Чаще всего применяетсятрубчатый дренаж.
Превышениебоковых стенок быстротока над уровнем воды в нем (кривая свободной поверхностиводы в быстротоке устанавливается гидравлическим расчетом) принимается по табл.4.2.
Таблица 4.2
Расход в быстротоке, м3/с 1 1…10 10…30 30…50 50…100 Превышение боковых стен над уровнем воды, см 20 30 40 50 60
Гидравлическийрасчет быстротока при заданных параметрах поперечного сечения, длины и уклонадна заключается в построении кривой свободной поверхности потока и определениимаксимального значения его скорости, а также расчете сопряжения бьефов ивыполняется в следующем порядке:
Глубинаводы на входе в быстроток (h1) принимается равной критической глубине
h1 = hкр = />, (4.15)
где a = 1...1,1;
Q — расход вбыстротоке;
bб - ширина быстротока.
2.Глубина воды на выходе из быстротока определяется из уравнения Б.А. Бахметьева
/> = h2 - h1 — (1 — j)[ j(h2) — j(h1)], (4.16)
где i0 — уклон дна быстротока;
l — длинабыстротока;
h0 — нормальная глубина (при равномерномдвижении потока на быстротоке);
h1 = />, h2 = /> - относительные глубины в начале и в конце быстротока;
j(h1), j(h2) - функции относительных глубин, определяемые по таблице 9.3 с 111 [6];
j = />
— смоченный периметр.
3.Подбором, задаваясь рядом значений глубины потока на быстротоке, определяютнормальную глубину из условия равенства модуля расхода, вычисленного позависимостям
k = /> (4.17)
k = wc/> (4.18)
Величинаj определяется по средним значениям c, bб и c в начале и в конце быстротока, принимая в первом приближенииглубину в конце быстротока h2 = h0
j = /> (4.19)
Гидравлическийпоказатель русла х определяется из соотношения модулей расхода и глубин вначале и в конце быстротока
(/> , (4.20)
Потаблице 9.3 [6] определяются значение функции j(h1)
ивсе найденные величины подставляются в уравнение (4.16), решая подборомкоторое определяют значение функции j(h2).
7. По найденному значению j(h2) определяется относительная глубина h2 и находится глубина воды в конце быстротока h2.
8. Максимальная скорость в конце быстротока определяется по зависимости
Vmax = />, (4.21)
величинакоторой не должна превышать допустимого значения, равного 14...15м/с.
9.Глубина в конце быстротока принимается в качестве первой сопряженной (h2 = h') и определяется вторая сопряженная глубина
/> (4.22)
Если/>, где hнб-глубина воды в нижнем бьефе при пропуске расчетного паводкового расхода,(определяется по кривой связи Q = f(h), тогидравлический прыжок будет затоплен и не требуется устанавливать гасители кинетическойэнергии потока на водобое. Если />, то для затопления гидравлического прыжканеобходимо запроектировать гаситель кинетической энергии потока (водобойный колодецили стенку).
Глубинаводобойного колодца определяется как
dк = /> — Dz, (4.23)
гдеDz — перепад, образующийся при выходе потока из колодца в НБ.На практике величиной Dz можно пренебречь, выполняя расчет с«запасом». Длина водобойного колодца, когда струя входит в колодец неотрываясь от сливной грани (без уступа), определяется по формуле
lк = (0,75...1)lпp, (4.24)
адлина водобоя при отсутствии на нем гасителей кинетической энергии потока равна
l в= (1...1,25)lпp, (4.25)
где lпр — длина гидравлического прыжка
lпр = 5(/> — h2), (4.26)
Наскальных грунтах при значительных скоростях в конце быстротока чаще всегоприменяются трамплины для отброса струи в НБ.
Быстротокс усиленной шероховатостью. В том случае, когда скорость потока на быстротокепревышает допустимую, а уменьшение его уклона нецелесообразно, устраиваетсябыстроток с усиленной шероховатостью. Искусственная шероховатость выполняется ввиде поперечных ребер, прямолинейных, ломаных или зигзагообразных, устраиваемыхна дне, а иногда и на боковых стенках лотка быстротока.
Расчетребристой донной шероховатости квадратного сечения (D´D) с расстояниями между осями ребер d = 8D и при iкр
1 — /> = i0 (4.27)
/>= 0,04 + 2,29i02 + Ki00,1/>, (4.28)
где Q — расчетныйрасход,
V- скоростьпотока на быстротоке;
D - высота ребер усиленной шероховатости;
i0 - уклон днабыстротока;
w,c ,R — соответственно площадь живого сечения, смоченный
периметр и гидравлический радиус потока;
К- опытный коэффициент, зависящий от типа шероховатости (К = 0,88 — дляпрямолинейных ребер; К = 1,85- для зигзагообразных ребер).
Порядокрасчета. Задаются значения скорости потока на быстротоке для условий егоравномерного движения v = 6… 8 м/с.По формуле (4.27) находится глубина потока, а по (4.28) вычисляется высотаребер искусственной шероховатости.
Консольныйперепад. В состав консольного перепада входят лоток быстротока и консольнаячасть, служащая для отброса
струиводы на безопасное расстояние с точки зрения подмыва сооружения (рис.4.2б).Чаще всего консоль располагается горизонтально, иногда ей придается обратныйуклон от 00до 150. Длина обычно 1...2 м. В зависимостиот геологических условий и размеров консоли конструкция ее опор может бытьсвайной, стоечной или рамной. Подошва крайних опор назначается ниже дна воронкиразмыва.
Гидравлическийрасчет консольного перепада заключается в расчете быстротока, определении дальностиполета струи и размеров воронки размыва.
Дальностьполета струи при горизонтальной консоли
L1 = 0,45jV/>, (4.29)
где j - коэффициент скорости;
h — глубинаводы в конце консоли (принимается равной глубине, вычисленной в конце быстротока h2);
V - скорость в конце быстротока;
р - высота падения струи.
Вслучае если консоль имеет обратный уклон, дальность полета струи
l1 = j/>, (4.30)
гдеb — угол наклона консоли к горизонту.
Скоростьвхода падающей струи в воду воронки размыва
V0= />, (4.31)
гдеVx, Vy - горизонтальная и вертикальная составляющие скоростивхода в воронку размыва, м/с.
Горизонтальнаясоставляющая определяется по формуле
Vx =jV, (4.32)
авертикальная — по формуле
Vу = j/>. (4.33)
Уголнаклона струи, входящей в воронку размыва, к горизонту
tga = Vу/Vх= />. (4.34)
Длинарастекания падающей струи в воронке размыва
L = 1,4qlg/>, (4.35)
гдеq — удельный расход в месте падения струив воду воронки размыва, м2/с; Vдоп -допустимая скорость для грунта в воронке размыва, м/c; К = 0,7...0,8 — коэффициент уменьшения допускаемой скорости.
Наибольшаяглубина воды в воронке размыва
t = АКр = /> , (4.36)
где А — коэффициент аэрации;
Кр — коэффициент размыва.
Коэффициентаэрации в зависимости от глубины воды (h) и скорости (V) в концеконсоли принимается по таблице 4.3.
Коэффициентаэрации А
Таблица 4.3h, м Значения А при V, м/c 5 10 15 20 25 0,2 0,70 0,64 0,62 0,61 0,60 0,5 0,88 0,71 0,66 0,63 0,52 0,7 1 0,90 0,70 0,66 0,64
Коэффициентразмыва в зависимости от рода грунта и угла наклона струи, входящей в воронку размыва, принимается по таблице 4.4.
Коэффициентразмыва Кр
Таблица 4.4.Род грунта
Значения Кр при a0 12 25 40 60 90 Очень слабые грунты (плывуны) 1,4 1,8 2,4 2,8 3,3 4,5 Прочие грунты и скала (после длительного размыва) 1,4 1,7 2,0 2,4 2,7 3,3
Глубинаворонки размыва (от дна отводящего канала)
t1 = t– hНБ, (4.37)
4.2.4.Многоступенчатый перепад устраивается при значительных (более 0,25) уклонахместности по трассе водосброса. Многоступенчатый перепад представляет собой рядступеней из одинаковых по размерам колодцев, образованных продольными(боковыми) и поперечными (водобойными) стенками (рис.4.2а). Размеры колодцев ивысоты водобойных стенок определяются на основании гидравлического расчетаиз условия полного гашения энергии потока.
Высотаступеней обычно назначается 2...4 м. Для лучшего гашения энергии потока днуколодца может придаваться обратный уклон.
Нанескальных и полускальных грунтах продольные и. поперечные стенки отделяются отводобойной плиты вертикальными деформационными швами. Все швы оборудуютсяпротивофильтрационными уплотнениями. Толщина водобойной плиты и стенокопределяется расчетам на устойчивость, предварительно назначая их всоответствии со следующими рекомендациями:
водобойнаяплита — 0, 5...1,0 м;
продольнаястенка: поверху — 0,3...0,7 м;
понизу — 1...2 м;
водобойнаястенка: поверху — 0,5...0,7 м
понизу — 1,2...2,0 м.
Вскальных породах водобойные плиты могут не устраиваться или может выполнятьсявыравнивающая облицовка толщиной 0,3…0,4 м.
Вмногоступенчатых перепадах гидравлический расчет (определение длины ступени ивысоты водобойной стенки) выполняется только для первой, второй и последнейступеней (размеры всех остальных ступеней принимаются такими же как, размерывторой ступени) в следующей последовательности:
Глубинана ступени в сжатом сечении (h1) определяется подбором по формуле
Q = jh1b/> (4.38)
ипринимается в качестве первой сопряженной глубины />
гдеQ — расчетный расход;
b — ширина перепада;
Р — высота ступени перепада;
Н0 - напор на ступени с учетом скорости подхода определяется по (4.4)
j — коэффициентскорости, принимаемый в зависимости от высоты ступени по таблице 4.5
Таблица4.5Р, м 1 2 3 4 5 j 0,97...0,96 0,95...0,91 0,91...0,88 0,88...0,86 0,86...0,85
Сопряженнуюс(/>) глубину(/>) находятпо формуле (4.22)
Глубинаводы над порогом водослива в начале следующей ступени (H1)определяется как
H1 = H0 — />, (4.39)
где H3/20= /> (4.40)
здесь: V0= /> - скорость подхода;
e = 0,97 — коэффициент бокового сжатияпотока;
М = m/>= 1,62
Глубинаводобойного колодца на ступене равна
d = /> - H1 (4.41)
5.Длина ступени перепада (водобойного колодца) равна
L = l1 + lпр, (4.42)
где дальность полета струи
l1 = j/>. (4.43)
lпр - длина прыжка, определяемая по формуле(4.26).
Прирасчете последней ступени перепада глубина водобойного колодца определяется позависимости (4.23), а длина водобоя по (4.24) и (4.25).
Отводящийканал устраивается между сопрягающим сооружением и руслом реки. Каналвыполняется в выемке таким образом, чтобы дно его сопрягалось с дном реки. Дноотводящего канала может быть горизонтальным или ему может придаваться уклонменьше критического. Гидравлический расчет канала производится по формуламравномерного движения воды. Если скорости потока в канале превышают допустимыепо размыву, дно и откосы его укрепляются.
Краткие соображения по пропускустроительных расходов
Вопросыпропуска речных вод, льда, рыбы, обеспечения судоходства в период строительствагидроузла играют важную роль в выборе типов и конструкций сооружений, ихкомпоновки и очередности возведения. В практике гидротехнического строительстваиспользуются три основных способа пропуска строительных расходов:
1.Без отвода реки из ее бытового русла, в котором располагаются основныебетонные сооружения гидроузла.
2.С отводом реки в сторону и пропуском ее по каналу, туннелю или трубам в обходстройплощадки.
3.Комбинированный метод, когда часть основных сооружений возводится без отводареки в сторону, а другая часть — с отводом.
Приложение 1
Осредненныезначения физико-механических характеристикГрунт Плотность грунта,
Коэффи-
циент Порис- тость Удельное сцепление c, кПа
Угол внутреннего
трения грунта j Коэффициент филь-
г/см3 пористости e n естеств. влажности насыщенного водой естеств. влажности насыщенного водой
трации
/> , см/с Глина 2,71-2,76 0,55-1,05 0,35-0,50
81-36
57-32
45-29 35-20
21-14
18-11
15-7 16-12
10-7 Суглинок 2,69-2,73 0,45-1,05 0,35-0,45
47-19
39-15
25-12 30-15
26-20
24-17
19-12 20-15
10-7-10-5 Супесь 2,69-2,73 0,45-0,75 0,30-0,45
15-8
13-3 5-3
30-27
28-21 23-20
10-6-10-3
Песок:
пылеватый 2,70 0,45-0,75 0,38-0,44 8-6 6-2 36-26 30-24
10-5-10-3 мелкий 2,66 0,45-0,75 0,38-0,43 6-2 4-2 38-28 32-27
10-4-10-2 средний 2,66 0,45-0,65 0,35-0,41 3-1 2-1 40-35 37-34
10-3-10-2
крупный
и гравелистый 2,65 0,45-0,55 0,35-0,41 2-1 1 43-38 38-35
10-2-10-1
Список литературы
Гидротехническиесооружения/ Под ред. М.М.Гришина.- Ч.1. М.: Высшая школа, 1979.- 615 с.
Гидротехническиесооружения/ Под ред. М.М.Гришина.- Ч.2. М.: Высшая школа, 1979.- 336 с.
Гидротехническиесооружения: Справочник проектировщика/ Под ред. В.П.Недриги.-М.: Стройиздат,1983.- 543 с.
Ро з а н о в Н.Н. Плотины из грунтовых материалов.-М.: Стройиздат, 1983.- 296 с.
СниП2.06.05-84. Плотины из грунтовых материалов.-М.: Стройиздат, 1984.- 31 с.
Гидравлическиерасчеты водосбросных гидротехнических сооружений: Справочное пособие/ Под ред.Д.Д.Лаппо.-М.: Энергоатомиздат, 1988.- 624 с.
Чу г а е в Р.Р. Гидротехнические сооружения.-Ч.1. Глухие плотины.-М.:Агропромиздат, 1985.- 318 с.
Гидротехническиесооружения/ Под ред. Н.Р.Розанова.-М.: Агропромиздат, 1985.- 432 с.
СниП2.06.04-82. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые,ледовые и от судов).-М.: Стройиздат, 1982.- 40 с.
10.Справочник по гидравлическим расчетам./ Под ред. П.Г.Киселева.- М.: Энергия,1972.- 312 с.