Скачать

Гидроузел с плотиной из грунтовых материалов

Московский государственный университет природообустройства

Кафедра гидротехнических сооружений

Курсовой проект

Гидроузел с плотиной из грунтовых материалов

Выполнил: студент 427гр.

Ерёмин М.Н.

Проверил: Шарков В.П.

Паспорт гидроузла

1. Выбор створа и описание компоновки сооружений гидроузла

2. Проектирование плотины из грунтовых материалов

2.1 Выбор типа плотины

2.2 Конструирование поперечного профиля плотины

2.2.1 Предварительное назначение коэффициентов заложения откосов

2.2.2 Конструирование гребня плотины

2.2.3 Проектирование креплений откосов плотины

2.2.3.1 Верховой откос

2.2.3.2 Низовой откос

2.2.4 Определение отметки гребня плотины

2.2.5 Проектирование и назначение дренажа

2.2.6 Проектирование обратных фильтров

2.2.7 Проектирование ПФУ в теле и основании плотины

2.2.8 Расчёт фильтрации в теле и основании плотины

2.2.9 Оценка общей фильтрационной прочности тела и основания плотины

2.2.9.1 Оценка общей фильтрационной прочности тела однородной плотины

2.2.9.2 Оценка фильтрационной прочности основания плотины

2.3 Расчёт устойчивости низового откоса плотины

2.4 Оценка осадки гребня плотины

3. Проектирование водосброса

3.1 Выбор типа водосброса

3.2 Выбор и назначение трассы берегового открытого водосброса

3.3 Проверка возможности выполнения варианта нерегулируемого водосброса

3.4 Гидравлический расчёт водосбросного сооружения

3.5 Расчёт устойчивости нижнего бьефа

4. Проектирование водовыпуска

5. Расчёт пропуска строительных расходов

Список использованной литературы

1. Выбор створа и описание компоновки сооружений гидроузла

Гидроузлом называют группу гидротехнических сооружений, объединенных условиями совместной работы и местоположения.

Гидротехническими называются сооружения, предназначенные для использования природных водных ресурсов (рек, озёр, грунтовых вод) или предотвращения (уменьшения) вредного воздействия воды на окружающую среду (борьбы с наводнением, размывами берегов, защита от селевых потоков).

В состав гидроузла входят:

Грунтовая плотина

Паводковый водосброс

Водовыпуск полезных попусков

Проектируемый в курсовом проекте гидроузел с плотиной из грунтовых материалов служит для решения комплекса водохозяйственных задач, в частности это:

- создание водохранилища, в котором происходит аккумулирование избыточных расходов реки, например, в период паводков, что способствует снижению ущерба от наводнений в нижнем бьефе гидроузла;

- осуществление полезных попусков воды в русло реки, обеспечивающие создание живого тока воды в меженный период и улучшающие водообеспечение прилегающих территорий;

- подача воды потребителю (водоснабжение и обводнение, гидротехнические мелиорации и т.д.);

- создание зон рекреации;

- развитие рыбного хозяйства и т.д.

Компоновка гидроузла включает в себя выбор створа плотины, трасс к месторасположения водопропускных сооружений. Она должна быть наиболее простой и удобной для возведения и эксплуатации гидроузла при минимальных затратах. В соответствие с заданием в состав гидроузла входят: плотина из грунтовых материалов, паводковый водосброс и водовыпуск(и) для подачи воды в нижний бьеф. Типы сооружений и их особенности описываются далее в соответствующих разделах.

Выбор створа гидроузла обычно осуществляется на основе технико-экономического сравнения нескольких вариантов компоновки в зависимости от рельефа и других условий района строительства. При выборе створа плотины учитываются многочисленные факторы, в числе которых определяющими являются: топографические характеристики речной долины и ложа водохранилища, инженерно-геологические и гидрологические условия, местоположение и объем карьеров строительных материалов, технология строительства плотины, а также возможность рационального размещения постоянных и временных водопропускных сооружений.

В курсовом проекте принимается, что инженерно-геологические и гидрологические характеристики в любом сечении долины реки не изменяются (характерное сечение долины реки представлено в п. 4 задания на проектирование, где дано геологическое строение долины с цифровыми обозначениями грунтов, номерам которых соответствуют грунты, характеристики и гранулометрический состав которых также приведены в задании на проектирование).

В данном проекте створ плотины выбираем в самом узком месте речной долины, что обеспечит минимальный объем насыпи грунтовой плотины и, соответственно, меньшую стоимость плотины, с учетом рационального размещения водопропускных сооружений гидроузла.

Створ – ось относительно, которой располагается остальные сооружения.

Для этого на топографическом плане речной долины, прилагаемом к заданию, намечаем вариант створа, предусматриваемый в месте сужения долины и трассируемый перпендикулярно преимущественному направлению горизонталей.

Чаще всего наименьший объем тела плотины соответствует минимальной длине плотины по гребню, поэтому на обоих берегах реки наносим горизонтали местности (эти горизонтали проведены штриховыми линиями на плане долины, соответствующие отметке гребня будущей плотины (Гp), которую предварительно определяем по формуле:

гдеФПУ - форсированный подпорный уровень водохранилища, при котором осуществляется пропуск поверочного расхода паводкового водосброса; отметка ФПУ приведена в колонке 2 таблицы пункта № 5 задания на проектирование;

 - запас (в метрах) гребня плотины над форсированным подпорным уровнем водохранилища. Предварительно определяем величину  по приближенной эмпирической формуле:

L - длина разгона ветровой волны, подставляемая в формулу в километрах, принимается для отметки ФПУ из колонки 3 таблицы п. № 5 задания на проектирование.

После этого на данной стадии проектирования устанавливаем длину по гребню плотины для различных вариантов створа с учетом масштаба топографической основы (масштаб указывается под топографическим планом или обводится кружком, если указано несколько масштабов). На топографии речной долины имеется одно сужение долины, благоприятное для размещения плотины.

После выбора створа на топографическую основу наносятся пикеты и строится на миллиметровке продольный профиль по выбранному створу плотины, на котором приводится геология, принимаемая согласно заданию на проектирование, и условные обозначения грунтов. Построение продольного профиля по створу плотины выполняется таким образом, чтобы с левой стороны располагался левый берег долины, а с правой стороны - правый берег. В дальнейшем на этот профиль наносятся: проектный и строительный гребень плотины, контур подошвы плотины и противофильтрационных устройств в основании, водопропускные сооружения. На части профиля выше подошвы плотины с левой стороны от оси русла условно показывается вид плотины со стороны верхнего бьефа (уровни ФПУ, НПУ, УМО, нижняя граница основного крепления откоса), а с правой стороны - вид плотины с нижнего бьефа (уровни воды при пропуске поверочного расхода и полезных попусков, бермы на низовом откосе при их наличии, границу крепления низового откоса от волновых воздействий нижнего бьефа). Этот профиль допускается выполнять в искаженном масштабе: горизонтальный масштаб профиля принимается равным масштабу генплана гидроузла или более крупному, а вертикальный - 1:100... 1:500 в зависимости от высоты плотины. При невозможности установления характера изменения рельефа местности между смежными горизонталями линия дневной поверхности на профиле должна состоять из совокупности отрезков прямых линий, проведенных между точками, соответствующими смежным горизонталям с известными отметками.

Рассмотрим створ I-I:

- маленькая длина плотины по гребню

- по обоим берегам – максимальные уклоны, следовательно, маленькая площадь зеркала при большом объёме водохранилища – обеспечены.

- удобная возможность размещения берегового водосброса по обоим берегам реки.

Разрез по створу I-I показан на рис. 1.

Рассмотрим створ II-II.

1. Левый берег недостаточно высокий, чтобы можно было построить плотину высотой ок. 14м.

2. Правый берег очень пологий, если бы возможность возведения плотины была, то только с очень большой площадью зеркала водохранилища при маленькой объёме.

3. Длина плотины по гребню плотины была бы очень большой.

Разрез по створу II-II показан на рис. 2.

Рассмотрим створ III-III.

1. Возможности для возведения грунтовой плотины совершенно нет, т.к. левый берег очень пологий.

Разрез по створу III-III показан на рис.3.

Таким образом, наилучшим вариантом для возведения грунтовой плотины, высотой около 14,3м является створ I-I, т.к. по обоим берегам наблюдаются максимальные уклоны на небольшом, сравнительно, расстоянии, это обеспечит создания водохранилища с большим объёмом, но при этом с не большой площадью зеркала водохранилища. В этом створе присутствует возможность создания берегового водосброса под большим углом к оси водохранилища, следовательно вход воды из водосброса в нижний бьеф будет достаточно плавным.

2. Проектирование плотины из грунтовых материалов

2.1 Выбор типа плотины

Плотина – основное подпорное сооружение, предназначенное для создания напора в одном месте.

Плотины, в которых в качестве строительного материала используется грунт, называются грунтовыми.

Расчеты грунтовых плотин выполняются для строительного и эксплуатационного периодов при основном и особом сочетаниях нагрузок. Предварительно на основе данных о створе и районе строительства или аналогов принимается тип плотины и ее профиль, для которого задаются крутизна откосов, ширина берм, ширина гребня (последняя зависит от категории дороги), тип дренажа и крепление верхового откоса. Затем определяется отметка гребня плотины, проводятся фильтрационные расчеты, расчеты фильтрационной прочности плотины, основания и ПФУ, обратных фильтров, дренажей, переходных зон, устойчивости откосов, экрана, защитного слоя, осадок тела плотины и основания, горизонтальных смещений, крепление откосов.

Плотины из грунтовых материалов (земляные насыпные, земляные намывные, каменно-земляные и каменно-набросные) - наиболее распространенный тип водоподпорных сооружений - входят в состав большинства гидроузлов мелиоративного назначения. Для возведения плотин используют, как правило, местные грунты. Конструктивные решения поперечного профиля должны обеспечивать устойчивость плотины и ее основания при всех возможных условиях строительства и эксплуатации, а также нормальную работу противофильтрационных и дренажных устройств и всего сооружения в целом.

Выбор типа плотины в проектной практике осуществляется в соответствии с требованиями СНиП 2.06.05.84* на основании технико-экономического сравнения вариантов различных конструкций или типов плотин. Учитывая их многообразие и невозможности детального изучения в рамках данной работы всех вариантов существующий плотин, ограничимся рассмотрением плотин применительно к условиям учебного курсового проекта, а именно: долина реки сложена нескальными грунтами, т.е. исключается возможность возведения каменно-земляных и каменно-насыпных плотин из-за относительно большой сжимаемости основания и отсутствия каменных материалов в количестве, необходимом для возведения основных частей тела плотины; высота плотин не превышает 20...25 м; плотина возводится методом послойной отсыпки насухо с уплотнением.

В соответствие со сделанными оговорками в курсовом проекте могут быть рассмотрены варианты однородных и неоднородных земляных плотин в зависимости от имеющихся местных карьерных строительных материалов (п.6 задания на проектирование, в котором указаны типы имеющихся карьерных грунтов, местоположение карьеров и дальность транспортировки грунтов в тело плотины). При этом необходимо отметить, что предпочтение следует отдавать карьерам, расположенным в верхнем бьефе плотины, так как в этом случае снижаются до минимума затраты на рекультивацию карьеров и несколько повышается объем водохранилища. По возможности следует максимально применять грунты, залегающие вблизи створа, а также целесообразно более полное использование грунтов полезных выемок. Для тела плотины можно использовать практически все виды грунтов, за исключением грунтов, содержащих водорастворимые включения хлоридных солей более 5% по массе, а сульфатных или сульфатно-хлоридных - более 10%; не полностью разложившиеся органические вещества (остатки растений и т.п.) - не более 5% по массе или полностью разложившиеся органические вещества (в аморфном состоянии) - не более 8%. При обосновании и проведении необходимых защитных мероприятий эти грунты также допускаются к применению.

Из анализа геологического разреза по створу плотины (рис. 1) видно, что дно реки устилает супесь. Дно плотины подстилает 5 грунт – песок крупный, выше отметки 107 расположен крупнообломочный дресвяной грунт, а по левому и правому берегам реки также выше отметки 107 – крупнообломочный дресвяной грунт. Эти грунты можно использовать для строительства плотины. Кроме того, это выгодно с экономической точки зрения, так как они являются местными строительными материалами. Также присутствуют карьерные крупнообломочные грунты – валунный . Исходя из этих данных, рассматриваем три варианта конструкции плотин

После сопоставления предложенных вариантов грунтовых плотин на начальной стадии проектирования принимаем первый вариант.

А – А (однородная плотина из супеси)

Достоинства:

·Лёгкость возведения плотины

·Простота технологического процесса – легко добывать

·Супесь – неподвержена неблагоприятному воздействию природного фактора.

Недостатки:

·По сравнению с глиной – большой коэффициент фильтрации

·Повышенные объёмы работы в связи с несколько большим коэффициентом заложения откосов, нежели у плотин однородных из глинистых грунтов.

Б – Б (плотина с ядром из суглинка)

Достоинства:

·Значительно уменьшается фильтрация через тело плотины

·Уменьшает заложение низового откоса, следовательно уменьшает объёмы используемого грунта

Недостатки:

·Трудность выполнения работ

·Специфичность глинистого грунта: тяжело добывать при плохих погодных условиях.

·Требуется высокая квалификация рабочих при уплотнении глинистого грунта

·Ядро практически не подлежит ремонту в процессе эксплуатации плотины.

·Поблизости нет глинистого грунта, поэтому его придётся завозить с карьера, а это дополнительные затраты, а также увеличивается срок строительства.

В – В (плотина с экраном)

Достоинства:

·Уменьшается фильтрация водного потока через тело плотины

·Низовой откос плотины может быть выполнен более крутым

·Более простые условия работ при возможном ремонте (по сравнению с плотиной с ядром) противофильтрационного элемента.

Недостатки:

·Трудность в возведении плотины

·Специфичность глинистого грунта

·По объёму экран в несколько раз превосходит ядро.

·Поблизости нет глинистого грунта, поэтому его придётся завозить с карьера, а это дополнительные затраты, а также увеличивается срок строительства.

Предлагаемые типы грунтовых плотин

а) однородная плотина из супеси в теле и супеси в основании с замком;

б) неоднородная плотина с ядром из суглинка

в) неоднородная плотина с экраном из суглинка

Из предложенных выше вариантов плотин выбирается 1 – однородная плотина из супеси с замком в основании, достоинствами которой являются – простота в возведении, простота технологического процесса – легко добывать, также супесь плохо подвергается негативному воздействию природного климата. Основным же пунктом в возведении однородной плотины из супеси является – большое количество супеси имеется в наличии.

2.2 Конструирование поперечного профиля плотины

Один из основных вопросов проектирования плотины из грунтовых материалов — определение устойчивого и экономически выгодного ее профиля.

На размеры поперечного профиля влияют:

1. тип плотины,

2. высота плотины,

3. характеристики грунта тела плотины и ее основания,

4. условия строительства и эксплуатации плотины.

Форма поперечного профиля грунтовой плотины представляет трапецию, большую сторону которой называют подошвой, а меньшую – гребнем.

Поперечный профиль плотины приведен на рис. 4. Подошва плотины не всегда бывает горизонтальной, очертание её зависит от рельефа местности.

2.2.1 Предварительное назначение коэффициентов заложения откосов

Откосы плотины должны быть устойчивыми во время ее строительства и эксплуатации при воздействии статических и динамических нагрузок, фильтрации, капиллярного давления, волн и др.Откосы могут потерять устойчивость из-за:

1. воздействия статических и динамических нагрузок от воды;

2. фильтрации воды;

3. капиллярного давления воды;

4. наличия ходов землеройных животных.

Коэффициент заложения (котангенс угла наклона откоса к горизонту) откосов плотин из грунтовых материалов зависит в основном от типа грунтов, формирующих верховую и низовую части плотины, типа грунтов основания и высоты плотины. Первоначально коэффициент заложения откосов назначается на основании опыта безаварийной работы различных типов плотин соответствующей высоты с характеристиками грунтов, аналогичных принятому для дальнейшего проектирования варианту плотины (см. пункт 2.1). Далее правильность предварительно принятых значений коэффициентов заложений откосов плотин проверяется расчетами устойчивости откосов.

Ориентировочно коэффициенты заложения откосов могут быть принять по нижеприведенным таблицам 1 и 2.

Коэффициенты заложения откосов плотин из грунтовых материалов

При выполнении тела плотины или верхового клина плотины из супесей с параметрами, приведенными в задании на проектирование, вышеуказанные значения коэффициентов заложения откосов следует увеличивать на 0,25...0,5 /15/.

Коэффициенты заложения откосов плотин из грунтовых материалов

Для дальнейшего проектирования принимаю:

Н_пл= _ФПУ + 1,3 м - _дна = 113 + 1,3 – 100 =114,3 м.

Заложение верхового откоса - т_h = 3 м

Заложение низового откоса - т_t = 3 м.

2.2.2 Конструирование гребня плотины

Гребень плотины конструируется, исходя из условий производства работ и эксплуатации плотины. Прежде всего, необходимо обеспечить проезд транспорта и сельскохозяйственной техники. Обычно на гребне плотины устраивают автомобильную или железную дорогу.

Ширина гребня устанавливается в зависимости от категории прокладываемой по гребню дороги (категория дороги не зависит от класса плотины) в соответствии с таблицей 3. При отсутствии необходимости проезда минимальная ширина гребня должна быть не менее 4,5 м.

В данном курсовом проекте дорога относится к IV категории, т.к. высота плотины , и поэтому имеет следующие размеры:

ширина проезжей части (Г): 6 м

ширина обочин (В): 2 м

ширина земляного полотна (b_гр): 10 м

толщина асфальта: 0,12 м

По краям проезжего полотна дороги предусматривают обочины или тротуары для пешеходов.

Покрытие проезжей части выполняют в соответствии с классом дороги. Его укладывают на подготовку из песчаных, гравийных или щебенистых грунтов.

Вдоль гребня плотины с обеих сторон в пределах обочин предусматриваем ограждения в виде сигнальных столбиков.

В поперечном направлении дороги придают двусторонний уклон, принимая его равным при асфальтовом покрытии 4%. Обочинам придают уклон 1.5%.

Пример конструктивного оформления гребня показан на рис.4.

2.2.3 Проектирование креплений откосов плотины

2.2.3.1 Верховой откос

Для защиты верхового откоса земляной плотины от разрушающего воздействия ветровых волн, льда, течения воды, атмосферных осадков и других факторов рекомендуется устраивать крепление. Крепление откосов следующих видов:

1 каменное (каменная наброска из несортированного камня),

2 бетонное и железобетонное (сборные и монолитные плиты с обычной и предварительно-напряженной арматурой),

3 асфальтобетонное,

4 биологическое (кустарники, травы).

В карьере в 3,0 км от места строительства плотины есть крупный камень (16 грунт), то выбираем крепление в виде каменной наброски из 16 грунта (валунный грунт).

Для определения диаметра камня, уложенного в крепление, нахожу массу отдельных камней m из условия устойчивости к размывающему действию волн по формуле:

где - расчётная высота волны, принимаем , рассчитанной при НПУ;

 - средняя длина волны (строка 15 таблицы 4);

 - коэффициент, который принимается по таблице в зависимости от типа крепления при наброске, ;

 - плотность камня, принимается по колонке 3 исходных данных, ; - плотность воды,

Зная массу камня, его диаметр, приведенный к диаметру шара, можно определить следующим образом:

График, построенный на основании данной таблицы не попадает в пределы, допустимые для крепления верхового откоса каменной наброской, соответственно, В данном курсовом проекте в качестве крепления верхового откоса выбираем сборные железобетонные плиты, омоноличенные в карты.

Толщина плиты t крепления определяется по формуле:

,

где: -коэффициент, принимаемый для сборных плит 1,1; -плотность бетона, равная 2,4 т/м³; В- размер плиты.

Минимальная толщина принимаемая для крепления из сборных плит составляет- 0,1 м.

Сборные крепления принимаются при высоте волны <1.5 м/с и толщиной льда менее 0,8 м и выполняют в основном с омоноличиванием отдельных плит размером от 1х1 до 2х6 в карты размером 8х8 до 20х24м. Карты обычно выполняются прямоугольными в плане с соотношением сторон от 1 до 2 с большей стороной вдоль гребня плотины. Между картами устраиваются деформационные швы, под которыми располагают обратные фильтры или геотекстильных материалов. При определении толщины крепления из сборных плит в качестве размера В подставляют размер карты.

В данной курсовой работе принимаем плиты размером 2х4 м и В=6 м.

Так как в проекте выполняем низконапорную плотину, то верхней границей основного крепления будет гребень плотины, т.е. _В.кр.=_Гр.пл. Нижний конец монолитных плит делаем из каменной заделки глубиной 1,5м.

Вид крепления верхового откоса представлен на рис. 5.

2.2.3.2 Низовой откос

Низовой откос плотин в зоне волновых и ледовых воздействий со стороны нижнего бьефа крепится так же, как верховой. Остальную часть низового откоса защищают от:

- атмосферных воздействий и неорганизованного стока ливневых вод с гребня;

- разрушения землеройными животными;

- негативных воздействий в результате жизнедеятельности человека и животных.

Основным видом крепления низового откоса является биологический вид:

- залужение;

- одерновка сплошная;

- одерновка в клетку;

- гравийно-песчаная отсыпка.

Простые и дешевые способы крепления низового откоса – залужение и одерновка. Залужение вступает в силу после того, как укрепится корневая система трав; на это требуется много времени. Поэтому в данном проекте выбираем крепление низового откоса – одерновка в клетку.

2.2.4 Определение отметки гребня плотины

Расчет отметки гребня плотины выполняется в соответствии со Строительными нормами и правилами СНиП 2.06.05-84* "Плотины из грунтовых материалов" для двух расчетных уровней воды в верхнем бьефе водоема: НПУ и ФПУ.

Превышение отметки гребня плотины  над расчетным статическим уровнем воды в водохранилище определяется по формуле:

где - высота ветрового нагона воды, м;

 - высота наката ветровых волн обеспеченностью 1%, м; а - конструктивный запас гребня, м.

Для определения отметки гребня требуется:

• назначить коэффициент заложения верхового откоса в зоне отметок расчетных уровней;

• установить параметры волн в водохранилище на подходе к плотине;

• назначить тип крепления верхового откоса, а для крепления из каменной наброски необходимо определить средний размер камня;

• провести расчет для двух расчетных уровней воды в верхнем бьефе плотины (НПУ и ФПУ).

Параметры ветровых волн, а также величины  и  определяются в соответствии со СНиП 2.06.04-82 "Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)".

Для большей наглядности и систематизации расчеты желательно представлять в табличной форме (таблица 4).

Таблица 4

Определение параметров волн и отметки гребня плотины