Кафедра «Гидротехническое и энергетическое строительство»

Курсовая Работа

На тему: «Бетонная водосбросная плотина»

Минск 2009

Содержание

Содержание 2

1. Компоновка сооружений гидроузла 3

2. Гидравлические расчеты 4

2.1 Расчет пропускной способности сифонного водосброса 4

2.2 Расчет сопряжения бьефов 6

2.3 Определение длины крепления русла за водосбросной плотиной 8

3. Конструирование тела плотины и ее элементов 10

3.1 Определение глубины заложения и ширины подошвы плотины 10

3.2 Проектирование поперечного профиля плотины 10

3.3 Конструкция гравитационной плотины 10

3.4 Выбор схемы подземного контура плотины 11

3.5 Конструирование элементов подземного контура плотины 11

3.5.1 Понур 11

3.5.2 Шпунт 12

3.5.3 Дренажные устройства 12

3.6 Конструкция водобоя 12

3.7 Конструкция рисбермы 13

3.8 Конструкция быков 13

3.9 Конструкция береговых устоев 14

4. Расчет фильтрации в основании бетонной плотины 16

5. Расчеты плотины на устойчивость и прочность 19

5.1 Нагрузки и воздействия на плотину 19

5.2 Определение контактных напряжений 20

5.3 Расчет устойчивости плотины на сдвиг 22

5.4 Расчет прочности тела плотины методами сопротивления материалов 24

6. Соображения по пропуску строительных расходов 26

Литература 27

1. Компоновка сооружений гидроузла

Речные плотинные гидроузлы всегда носят индивидуальный характер. В связи с разнообразием местных условий нет возможности при сооружении данного гидроузла использовать какие-либо типовые проекты

В состав гидроузла входят земляная плотина из местных материалов и бетонная гравитационная плотина с сифонным водосливом.

Створ плотины выбирается с учетом топографических условий таким образом, чтобы плотина имела минимальную длину. Схема гидроузла должна быть, возможно, более компактной, объем и стоимость работ по возведению сооружений, а также эксплуатационные расходы должны быть, возможно, наименьшими. При русловой компоновке водосливная плотина находится в русле реки.

Грунт основания – песок мелкозернистый, грунт тела плотины – песок среднезернистый.

Высота плотины Н_пл=12,4, отметка верха быков – 190 м, максимальный напор Н=8 м, отметка НПУ – 187 м, глубина воды в ВБ при НПУ – 9,4 м.

Заложение верхового откоса земляной плотины – 3, низового – 2,5. Ширина гребня – 10 м.

2. Гидравлические расчеты

2.1 Расчет пропускной способности сифонного водосброса

Сифонный водосброс состоит из нескольких труб прямоугольного сечения, объединенных в батареи. Гребни отдельных сифонов располагаются на разных отметках с целью недопущения одновременного включения всей батареи при пропуске небольших паводков.

Форма поперечного сечения трубы – прямоугольная, с размерами 2х5 м. Радиус закругления оси горлового участка r₀=4 м.

Пропускная способность сифонного водосброса определяется по формуле:

ω_вых=a·b=2·5=10 м² – площадь выходного сечения трубы сифона;

– напор с учетом скорости подхода;

Н=4 м – геометрический напор;

– коэффициент расхода;

– сумма коэффициентов сопротивления.

Суммарный коэффициент сопротивления слагается из:

1. Местное сопротивление на вход: ξ_вх=0,1

2. Местное сопротивление на плавное сужение: ξ_пс=k_пс ξ_внс=0,24·0,3=0,072

k_пс=0,24

1. Местное сопротивление на закругление: α=90^о k_α=1 ξ₉₀=0,16

2. Сопротивление на трение по длине:

I участок:

l₁=4,4 м

II участок:

l₂=9,9 м

=0,438

Пропускная способность одной трубы:

Необходимое количество труб:

Ширина водосброса

скорость подхода

Пропускная способность одной трубы с учетом скорости подхода:

Пропускная способность всего водосброса:

Проверка пропуска максимального катастрофического расхода воды через водосброс производится по условию:

Окончательно принимаемое количество труб n=6.

Таким образом, необходимая пропускная способность сифонного водосброса обеспечена.

Для установления величины вакуума в горловом сечении и сравнивания его с допустимым значением производится определение давлений в сифоне.

Вакуум на оси трубы в горле сифона при :

2.2 Расчет сопряжения бьефов

Уровень в ВБ равен НПУ, а УНБ определяется по кривой связи Q=f(h).

При включении всей батареи в НБ сбрасывается 448,8 м³/с. Глубина в НБ в этом случае равна 5,1 м

Глубина воды в сжатом сечении находится по зависмости:

φ=0,95 – коэффициент скорости;

р=9,4 м – высота водослива;

В_с=40 м – ширина потока в сжатом сечении;

Для определения глубины воды в сжатом сечении требуется решить это уравнение методом последовательных приближений.

Q м3/с	hc, м	hкр, м	h'', м	hНБ, м	h''-hНБ, м
448,8	0,75	2,34	5,5	5,1	0,4

h''-h_НБ=0,4 м – отогнанный гидравлический прыжок. Для того, что бы бьефы сопрягались в форме затопленного гидравлического прыжка, требуется искусственно затопить его при помощи гасителей энергии.

Расчет водобойной стенки:

Длина водобоя: .

Для лучшего гашения избыточной кинетической энергии потока, ширина водобоя по течению увеличивается. Угол отклонения береговых устоев от оси водобоя составляет 11^о.

Ширина водобоя около водобойной стенки:

Скорость подхода для водобойной стенки:

Напор на гребне водобойной стенки:

Высота водобойной стенки в первом приближении: d_в.ст.=h''-H'=5,5–3,07=2,43 м.

Уточняется коэффициент расхода:

Высота подтопления h_п= h_НБ –d_в.ст.=5,1–2,43=2,67 м, коэффициент подтопления: σ_п=0,9

Напор на гребне водобойной стенки во втором приближении:

Высота водобойной стенки во втором приближении: d_в.ст.=h''-H''=5,5–3,2=2,3 м.

При расчете водобойной стенки требуется выяснить условие сопряжения бьефов за ней.

Глубина воды в сжатом сечении находится по зависимости: h_c=1,3 м.

Критическая глубина: .

Вторая сопряженная глубина:

– прыжок затоплен.

2.3 Определение длины крепления русла за водосбросной плотиной

Во избежание разрушения дна русла за плотиной, дно и берега русла покрываются специальным креплением, которое состоит из водобоя и рисбермы.

Общая длина крепления при сопряжении бьефов в донном режиме определяется по формуле:

Длина рисбермы:

Ширина рисбермы:

За горизонтальным участком рисбермы для защиты ее от подмыва устраивается концевое крепление в виде ковша. Глубина ковша отсчитывается от уровня воды в НБ при пропуске расчетного расхода и определяется по зависимости:

– удельный расход;

V₀₁=2 м/с – допускаемая неразмывающая скорость для засыпки ковша (галька крупностью 30÷100 мм);

χ=1,2 – коэффициент неравномерности распределения удельного расхода;

k_р=1,1 – коэффициент, зависящий от условий схода потока с рисбермы.

3. Конструирование тела плотины и ее элементов

3.1 Определение глубины заложения и ширины подошвы плотины

Для надежного сопряжения плотины с основанием и предотвращения контактной фильтрации подошва плотины выполняется с верховым и низовым подплотинными зубьями. Глубина зубьев – 3,6 м. Ширина зуба по низу – 4 м. Ширина подошвы плотины определяется по зависимости:

b_n=(1,75÷2) Z=2·8=16 м Z – разность уровней в ВБ и НБ.

3.2 Проектирование поперечного профиля плотины

Поперечный профиль плотины состоит из следующих элементов:

1. Вертикальной напорной грани с консолью;

2. Криволинейного участка (дуга окружности радиусом r₁=3 м);

3. Прямолинейного участка;

4. Дуги окружности, описанной радиусом R и сопрягающей поверхность водобоя с прямолинейным участком.

3.3 Конструкция гравитационной плотины

Во избежание появления трещин при температурных деформациях или при неравномерной осадке плотина разрезается на отдельные секции по оси быков.

Для предотвращения фильтрации воды через тело плотины вдоль ее напорной грани устраивается дренаж в виде системы вертикальных дрен круглого сечения, которые располагаются на расстоянии . Дрены имеют диаметр 20 см и располагаются с шагом 2 м.

Для отвода дренажной воды, контроля за работой дрен и состоянием бетона плотины, прокладки коммуникаций, установки конторольно-измерительной аппаратуры, проведения цементации швов, а также ремонтно-восстановительных работ устраиваются продольную галерею. Она располагается выше меженного уровня воды в НБ для обеспечения самотечного отвода воды. Ширина галереи – 2 м, высота – 3 м.

Пол галереи – с уклоном 1/50 в сторону водосбросного кювета, который устраивается у стены галереи.

3.4 Выбор схемы подземного контура плотины

Так как плотина располагается на песчаных грунтах бесконечной мощности, то подземный контур состоит из понура, висячего шпунта и дренажа под телом плотины.

3.5 Конструирование элементов подземного контура плотины

3.5.1 Понур

Понур – водонепроницаемое покрытие в ВБ, которое устраивается для удлинения путей фильтрации. Анкерный понур помимо основного назначения повышает устойчивость плотины.

Длина понура устанавливается в соответствии с расчетом фильтрационной прочности грунта основания и устойчивости плотины. Предварительно длина понура назначается равной . Z=8 м – разность отметок НПУ и минимального уровня НБ.

Понур устраивается из жирной и пластичной глины, укладываемой слоями толщиной 10÷25 см с последующим уплотнением. Толщина понура в начальном сечении – 0,6 м, в месте примыкания понура к телу плотины – 2 м.

Сверху глиняный понур пригружается защитным слоем грунта толщиной 1,5 м, который предохраняется от размыва креплением в виде бетонных плит.

3.5.2 Шпунт

Шпунт – вертикальная противофильтрационная преграда, которая является гасителем напора фильтрационного потока. Шпунт располагается со стороны напорной грани плотины, в ее верховом зубе. Глубина забивки шпунта .

3.5.3 Дренажные устройства

Горизонтальный дренаж выполняется из крупнозернистого материала (щебня), защищенного обратным фильтром. Обратный фильтр устраивается из 2‑х слоев несвязных грунтов различной крупности (песок крупнозернистый и щебень). Толщина каждого слоя – 40 см.

3.6 Конструкция водобоя

Водобой выполняется в виде массивной железобетонной плиты, заканчивающейся зубом. Для интенсификации гашения кинетической энергии потока в пределах водобоя располагается водобойная стенка. Ширина водобоя по течению увеличивается, что способствует лучшему гашению избыточной кинетической энергии потока. Угол отклонения береговых устоев от оси водобоя составляет 11^о.

Толщина водобойной плиты определяется из условия ее устойчивости и прочности: