Водозливна гребля на нескельній основі

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

На тему

«Водозливна гребля на нескельній основі»

1. Мета проекту

Курсовий проект виконується з метою закріплення отриманих студентом теоретичних знань з курсу гідротехнічних споруд шляхом розв'язання конкретних задач, пов'язаних із проектуванням гребель на нескельній основі в складі гідровузла. При цьому студент повинен навчитися:

1. при заданих геологічних умовах, рівнях та витратах води обирати раціональний тип водозливної греблі;

2. із врахуванням місцевих топографічних та геологічних умов правильно розташовувати всі споруди в створі гідровузла;

3. розробляти та застосовувати раціональні конструкції водозливної греблі;

4. виконувати гідравлічні, фільтраційні і статичні розрахунки водозливної греблі та інших споруд гідровузла;

5. оформлювати пояснювальну записку та креслення у відповідності до вимог єдиної системи конструкторської документації (ЄСКД).

2. Завдання та вихідні матеріали

Проект водозливної греблі виконується за індивідуальним завданням, в якому наводяться основні вихідні дані для проектування, а саме:

1. план в горизонталях району будівництва гідровузла;

2. фізико-механічні характеристики ґрунту основи споруд гідровузла;

3. гідрологічні характеристики(крива залежності витрат води від глибин води в ній в побутових умовах, характерні витрати, товщина шару наносів у водосховищі, розрахункова товщина льоду, розрахункові висота і довжина вітрових хвиль);

4. габарити будівлі ГЕС, автодорожніх та залізничних мостів.

В завданні керівником проекту можуть вказуватись інші додаткові вихідні дані та умови.

В пояснювальній записці має бути виконаний аналіз та інженерна оцінка вихідних даних з точки зору їх впливу на проектні рішення, що приймаються.

В результаті вивчення плану району гідровузла мають бути отримані наступні відомості:

1. про ширину русла річки без заплави і з заплавою при різних заданих рівнях води: меженному (відповідає ), НПР (відповідає ), при проходженні розрахункових повеневих витрат ();

2. про планове окреслення русла річки (опис берегів в створі: круті, пологі) для встановлення раціонального розміщення його бетонних споруд. Наприклад, при заплавній компоновці гідровузла бетонні споруди розташовують на більш пологому випуклому березі, що дає можливість зменшити глибину будівельного котловану і розміри підвідного і відвідного каналів.

3. про живі перерізи в створі греблі при характерних рівнях води для визначення середніх швидкостей течії води;

4. про перевищення заплави і корінних берегів при характерних рівнях води для визначення необхідної висоти та довжини глухих частин греблі, що спряжують водозливну її частину з берегами та іншими спорудами;

5. про кут підходу води до водозливної греблі (при косому підході льоду до водоскидного фронту його пропуск через прогони греблі ускладнюється).

Вивчення геологічних даних дозволяє встановити ґрунти основи споруди та їх геотехнічні характеристики (кут внутрішнього тертя, зчеплення, т. ін.)

Дані про зв'язок витрат від рівнів води в побутових умовах, а також про рівні верхнього б'єфу дозволяють встановити напір на споруди та рівні води, що відповідають розрахунковим витратам в побутових умовах в нижньому б'єфі після зведення гідровузла.

У вибраному створі будується геологічний профіль долини річки, на який наносяться лінії урізів води при НПР та при пропусканні мінімальної будівельної витрати .

Опис вихідних даних повинен виконуватись з їх інженерною оцінкою з точки зору особливостей будівництва гідровузла у вибраному створі.

3. Компоновка споруд гідровузла

Після вивчення вихідних матеріалів встановлюється протяжність кожної споруди гідровузла по створу. Протяжність водоскидної греблі встановлюється шляхом гідравлічних розрахунків. Протяжність спеціальних споруд (будівля ГЕС, водозабір, судноплавний шлюз) вказується в завданні, а глухих частин греблі - виходячи з підпірних рівнів води в верхньому б'єфі (НПР та ФПР) та топографії місцевості в районі створу гідровузла.

Після цього розробляється схема компоновки гідровузла, тобто схема розміщення кожної споруди в створі. При цьому необхідно виходити з того, що в теперішній час на крупних річкових гідровузлах на нескельній основі застосовуються дві основні схеми компоновки водопропускних споруд: руслова та заплавна, вибір між якими в реальних умовах проектування визначається техніко-економічними та виробничими умовами їх будівництва в даному створі.

Руслова компоновка застосовується в основному на низьконапірних гідровузлах (при напорах до 10м). Руслова компоновка характерна тим, що бетонні водоскидні споруди зводяться безпосередньо в руслі річки в дві (рідше - три) черги робіт, кожна з яких потребує влаштування котлованів, що огороджуються окремими перемичками (рис.3.1).

Заплавна компоновка застосовується на рівнинних ріках з високими повенями при більш пологих берегах (рис.3.2). При даній компоновці будівлю ГЕС рекомендується примикати до водозливної греблі з берегової сторони для полегшення будівельно-монтажних робіт, а також забезпечення більш раннього початку монтажу енергетичного обладнання та більш прості умови його транспортування до місця монтажу.

Різновидом такої компоновки є напівзаплавна компоновка.

У верхньому і нижньому б'єфах влаштовуються роздільні стінки, потреба в яких викликана різними гідравлічними режимами роботи цих споруд.

При вирішенні питання про розташування бетонних споруд гідровузла на заплаві відносно меженного русла ріки при заплавній компоновці гідровузла та відомій протяжності кожної із споруд необхідно виконати орієнтовний підрахунок з наступних міркувань (рис.3.3).

Підошва поздовжньої перемички котловану розташовується на відстані

від бровки укосу меженного русла ріки. Відмітка гребеня поздовжньої перемички визначається рівнем максимальної розрахункової будівельної витрати з запасом над цим рівнем

.

Тоді при відомій відмітці заплави в цьому місці визначається висота поздовжньої перемички. Ширину гребеня перемички можна прийняти рівною з урахуванням можливості проїзду по ній автомашин. Тоді, при виконанні перемички з того ж матеріалу, що і глуха гребля, ширина перемички по основі складе , де - горизонтальні проекції укосів перемички. Коефіцієнти закладання укосів можуть бути прийняті для суглинків - , для пісків і супісків -. Відстань від підошви укосу поздовжньої перемички з берегової сторони до бровки укосу котловану може бути прийнята . Відмітка дна котловану водозливної греблі приймається рівною відмітці її підошви. При заданих ґрунтах заплави та відповідних коефіцієнтах закладання укосів котловану може бути визначена горизонтальна проекція укосу котловану . Відстань від підошви укосу до грані берегового стояну греблі може бути прийнята . Далі розташовуються бетонні споруди гідровузла, протяжність яких встановлюється розрахунками та завданням.

При вирішенні питання компоновки споруд гідровузла одночасно необхідно передбачити порядок пропуску будівельних витрат і льоду.

При русловій компоновці застосовують метод пропуску будівельних витрат з перемичками (рис.3.1) та без перемичок (з проведенням робіт мокрим способом або з відводом річки із її русла).

При заплавній компоновці в проекті передбачають будівництво водозливної греблі методом гребінки, коли будівельні витрати пропускаються через недобудовану водозливну греблю.

4. Гідравлічний розрахунок

4.1 Визначення розмірів водозливних отворів

Розміри водозливного фронту і його окремих отворів (прогонів) визначаються для пропускання максимальної розрахункової витрати при НПР (основний розрахунковий випадок) і перевіряються на пропускання відповідної перевірочної максимальної витрати при ФПР (перевірочний розрахунковий випадок).

Схема до розрахунку пропускної спроможності водозливної греблі представлена на рис.4.1.

Основними факторами, що визначають протяжність водозливного фронту, є величина максимальної розрахункової витрати та допустима для заданих геологічних умов питома витрата води.

Максимальні розрахункові витрати води в створі гідровузла встановлюються методами гідрології з урахуванням трансформації повеневої витрати водосховищем. Розрахункова ймовірність перевищення максимальних витрат визначається з таб.4.1 в залежності від розрахункового випадку і класу капітальності греблі.

Таблиця 4.1 Розрахункові ймовірності витрати води в залежності від класу споруди, %

Максимальна розрахункова витрата води, що скидається через водозлив греблі, для основного розрахункового випадку визначається при пропусканні води через всі турбіни ГЕС , водоспускні отвори греблі , інші споруди гідровузла (водозабори, шлюзи). Для вихідних даних курсового проекту

(4.1)

Допустима питома витрата визначається допустимою швидкістю течії на рисбермі в залежності від типу ґрунту основи: для піщаних ґрунтів - 2,5-3м/с; для глинистих - 3-3,5м/с.

Користуючись досвідом проектування гребель середнього напору (10-25м), величини питомих витрат на рисбермі можуть бути прийняті в залежності від типу ґрунту основи:

- для піщаних основ - 25-50м²/с;

- для глинистих основ - 50-70 м²/с.

Значення питомої витрати на водозливі (внаслідок стиснення потоку бичками) приймається дещо більшою, ніж в нижньому б'єфі

(4.2)

Напір на гребені водозливу практичного профілю при непідтопленому витіканні може бути визначений за формулою

(4.3)

де - коефіцієнт витрати водозливу практичного профілю, в першому наближенні може бути прийнятий .

Знайдений напір на гребені водозливу коригується у відповідності до вимог , де наведені стандартні висоти отворів (напори) (таб.4.2). При цьому висота водозливного отвору округлюється до найближчого стандартного значення .

Таблиця 4.2 Стандартні висоти отворів (напори),

Уточнений напір на гребені водозливу

(4.4)

Відмітка гребеня водозливу (рис. 4.1)

(4.5)

Уточнена питома витрата

. (4.6)

Загальна попередня ширина всіх отворів водозливного фронту греблі

(4.7)

Підбирається кількість і ширина водозливних отворів .

Отвори греблі повинні мати стандартні розміри (таб.4.3). Окремі отвори греблі слід по можливості приймати однаковими, пов'язуючи їх із розмірами секцій греблі і враховуючи умови пропуску льоду (не менше 10м - для річок південних районів із легким льодоходом; не менше 18м - для річок північних районів з важким льодоходом). При цьому загальна ширина льодоскидного фронту повинна бути не менше ширини річки під час льодоходу.

Таблиця 4.3. Стандартна ширина отворів,

Уточнена загальна ширина отворів

(4.8)

Загальна ширина отворів повинна забезпечувати пропуск максимальної розрахункової витрати.

Визначається фактична пропускна спроможність водозливу практичного профілю при прийнятих розмірах водозливних отворів

(4.9)

де - коефіцієнт повноти напору;

- коефіцієнт стиснення потоку;

- коефіцієнт підтоплення;

- повний напір на водозливі з урахуванням швидкості підходу

, (4.10)

де - швидкість підходу потоку до греблі

(4.11)

де - площа живого перерізу перед гідровузлом, м².

Якщо м/с, то приймається .

Коефіцієнт витрати водозливу, профіль якого побудовано за координатами Крігера-Офіцерова, дорівнює . При влаштуванні на гребені прямолінійної вставки довжиною у випадку водозливу з вертикальною напірною гранню коефіцієнт витрати може бути визначений за формулою

(4.12)

де - ширина гребеня водозливу від вертикальної напірної грані до початку криволінійної поверхні (рис.5.1,б). Дана формула дійсна в межах

та

де - висота водозливу з боку верхнього б'єфу.

При приймається .

Коефіцієнт повноти напору визначається за формулою Н.П.Розанова

(4.13)

де - профілюючий напір, при якому визначається окреслення оголовку водозливу (зазвичай при ФПР).

- коефіцієнт стиснення потоку, при плавно окреслених вхідних оголовках биків може бути визначений за формулою

(4.14)

де - відстань між осями биків.

- товщина бика, приймається за рекомендаціями п.4.4.

При , приймається ;

якщо , приймається

Підтоплення починає впливати на пропускну спроможність водозливу практичного профілю при

де - перевищення рівня води у нижньому б'єфі над гребенем водозливу

.

Для підтопленого водозливу коефіцієнт підтоплення визначається за граф.4.2 в залежності від співвідношення . Крива обирається в залежності від співвідношення (рис. 5.1 а,б).

Якщо в результаті розрахунків пропускна спроможність, знайдена за формулою (4.9), задовольняє умові , розміри водозливних отворів призначені правильно. В протилежному випадку їх необхідно відкоригувати.

Знайдені розміри водозливних отворів повинні забезпечувати пропускання максимальної перевірочної витрати при відмітці рівня води у верхньому б'єфі, що не перевищує ФПР.

Пропускна спроможність водозливних отворів при ФПР визначається за тією ж формулою, що і при НПР. При цьому напір на гребені водозливу дорівнює

, (4.15)

Якщо в результаті розрахунків пропускна спроможність, знайдена за формулою (4.9), задовольняє умові , розміри водозливних отворів призначені правильно. В протилежному випадку їх необхідно відкоригувати.

При прийнятих розмірах прогонів і розмірах биків протяжність водозливного фронту греблі

, (4.16)

Уточнена питома витрата на водобої (визначається при пропусканні розрахункової витрати для основного і перевірочного випадків)

. (4.17)

Прийняті розміри водозливних отворів перевіряємо щодо пропускання максимальної перевірочної витрати:

- розрахункова перевірочна витрата;

- геометричний напір на водозливі.

- коефіцієнт повноти напору;

- фактична пропускна спроможність водозливу за формулою (4.9)

Отримане значення фактичної пропускної спроможності перевищує максимальну витрату , отже, водозливна гребля при перевірочному розрахунковому випадку забезпечує пропуск максимальної витрати води. Тому розміри прольотів греблі, визначені при основному розрахунковому випадку, можуть бути прийняті як остаточні.

4.2 Розрахунок гасителів енергії

4.2.1 Загальні положення

Основною задачею спряження б'єфів за водозливною греблею є гасіння надлишкової кінетичної енергії з метою недопущення небезпечних для стійкості греблі розмивів дна. Основними типами гасителів енергії за водозливними греблями середнього напору є суцільна водобійна стінка, прорізна водобійна стінка та гаситель - розтікач Куміна .

Основною задачею гідравлічного розрахунку гасителів енергії є визначення їх розмірів та місця розташування, при яких виключається відгін гідравлічного стрибка за гасителями та можливість кавітації при всіх режимах роботи споруди, а також ефективний розподіл дії гасителів при роботі окремих водозливних отворів.

Проектним режимом спряження б'єфів рекомендується прийняти донний режим із затопленим гідравлічним стрибком. Коефіцієнт затоплення, що характеризує ступінь затоплення гідравлічного стрибка, .

В курсовому проекті всі гідравлічні розрахунки виконуються лише для основного розрахункового випадку при повному відкритті всіх отворів греблі та пропусканні максимальної витрати при рівні води у верхньому б'єфі НПР. В умовах реального проектування виконуються також перевірочні розрахунки при рівні ФПР та нерівномірно відкритих отворах.

Відмітка поверхні водобою та рисберми попередньо приймається рівною відмітці дна русла річки. При недостатності глибини води в нижньому б'єфі для затоплення стрибка ця відмітка коригується.

Відмітку рівня води за стрибком на рисбермі в курсовому проекті приймаємо рівною побутовій відмітці рівня, яка відповідає витраті за заданим графіком зв'язку .

4.2.2.Суцільна водобійна стінка

Мінімальна глибина води на рисбермі (рис. 4.3), необхідна для затоплення гідравлічного стрибка, що відповідає утворенню стрибка зі ступенем затоплення

при коефіцієнті швидкості для водозливу визначається в залежності від значення

де

- висота водозливу над поверхнею водобою, в першому наближенні .

Мінімальна глибина води на рисбермі визначається із залежностей для

, (4.18)

де - критична глибина потоку;

- різниця напорів у б'єфах при розрахунковій витраті з урахуванням швидкості підходу.

Порядок розрахунку наступний (блок-схема алгоритму гідравлічного розрахунку суцільної водобійної стінки наведена в дод.1):

I. З вказаних співвідношень знаходимо мінімальну глибину , необхідну для затоплення стрибка.

II. Глибину порівнюємо з побутовою глибиною води в нижньому б'єфі .

III. 1. Якщо :

а) Необхідно створити умови затоплення стрибка на водобої. Для цього поверхню водобою і рисберми необхідно заглибити під рівень нижнього б'єфу на величину

. (4.20)

При цьому побутова глибина води в нижньому б'єфі стає рівною глибині , а уточнена відмітка водобою і рисберми

Уточнені значення для нової відмітки водобою

б) Висота водобійної стінки для значень визначається з формули

. (4.21)

Дана залежність може бути застосована для водобійних стінок прямокутного і трапецеїдального перерізів (рис.4.4).

Для трапецеїдальної стінки приймається:

- похил верхової грані ? 4:1, низової ?1:1;

- ширина гребеня .

в) Знаходяться спряжені глибини і гідравлічного стрибка на водобої, використовуючи величини

;;

Для цього:

- за значенням з граф. 4.5 для знаходиться значення ;

- за значенням з граф. 4.6 (графіка Чертоусова для призматичного русла) знаходиться значення ;

- з вищевказаних співвідношень обчислюються значення і.

2. Якщо

Спряжені глибини гідравлічного стрибка і знаходяться аналогічно попередньому випадку (п.ІІІ.1, в). Методика визначення висоти водобійної стінки залежить від співвідношення глибини на рисбермі , необхідної для затоплення, та другої спряженої глибини:

а) Якщо

то висота стінки знаходиться підбором за умовою утворення стрибка перед стінкою з коефіцієнтом затоплення

Для цього:

1). приймається декілька значень висоти водобійної стінки , для яких обчислюються:

- напір на водобійній стінці з урахуванням швидкості підходу

(4.22)

Де

(4.23)

; (4.24)

- глибина підтоплення водобійної стінки

(4.25)

- коефіцієнт підтоплення по граф.4.2.;

- питома витрата

(4.26)

де - коефіцієнт витрати для водобійної стінки.

2) за отриманими результатами будується графік , з якого визначається значення висоти водобійної стінки для .

За значенням по граф. 4.5 для знаходимо значення

звідки

За значенням по граф. 4.6 знаходимо значення

, звідки

отже висота стінки знаходиться підбором за умовою утворення стрибка перед стінкою з коефіцієнтом затоплення. Для цього приймаємо декілька значень висоти водобійної стінки , для яких обчислюємо напір на водобійній стінці з урахуванням швидкості підходу за формулою (4.22), глибину підтоплення водобійної стінки за формулою (4.25), коефіцієнт підтоплення

по граф.4.2., питому витрату за формулою (4.26). Результати обчислень зводимо в таблицю 4.5.

Таблиця 4.5

За отриманими даними будуємо графік (рис.4.13), з якого визначається висота водобійної стінки для .

Для висота водобійної стінки .

Відстань від початку водобою до водобійної стінки

Приймаємо

.

Знаходимо найбільший допустимий гідродинамічний напір , при якому забезпечується безкавітаційна робота водобійної стінки з горизонтальною верхньою гранню

Допустимий гідродинамічний напір в цьому випадку більше фактичного і кавітаційних руйнувань граней водобійної стінки не буде.

4.2.3 Прорізна водобійна стінка

Блок-схема алгоритму гідравлічного розрахунку прорізної водобійної стінки наведена в дод.2.

I. Мінімальна глибина води на рисбермі , необхідна для затоплення стрибка, визначається із залежностейдля

II. . (4.27)

III.

IV. Глибина порівнюється з побутовою глибиною води в нижньому б'єфі .

2. Якщо - знаходяться спряжені глибини гідравлічного стрибка (п. ІІІ.1,в з розрахунку суцільної водобійної стінки).

а) Якщо ,

- знаходиться середньозважена реакція одного погонного метру стінки (в Ньютонах)

(4.4)

де - питома вага води;

- визначається коефіцієнт лобового опору стінки за граф. 4.8 за числом Фруда

де - швидкість в стисненому перерізі

- визначається необхідний коефіцієнт наскрізності

(4.35)

визначається висота стінки

. (4.36)

б) Якщо , висота стінки приймається за формулою (4.27).

V. За співвідношеннями (4.32) обчислюється решта розмірів водобійної стінки.

VI. Знаходиться найбільший допустимий гідродинамічний напір за умовами кавітації:

- для профілю прорізної стінки (рис.4.7, а)

(4.37)

де ;

- для профілю прорізної стінки (рис.4.7, б)

(4.38)

- для профілю прорізної стінки (рис.4.7, в)

. (4.39)

Формули дійсні для діапазонів значень

; ; м²/с.

При невиконанні умов формули дають наближені результати, тому необхідні уточнюючі лабораторні дослідження.

У випадку, якщо фактичне значення , в проекті слід прийняти визначені параметри стінки, але відзначити необхідність проведення спеціальних лабораторних досліджень для їх уточнення за умовами кавітації.

4.2.4 Гаситель- розтікач

При встановленні на водобої гасителя - розтікача Куміна розмірів і форми, вказаних на рис.4.9

I. визначається глибина на рисбермі , необхідна для затоплення:

для (4.40)

II. Встановлюється необхідність і величина заглиблення поверхні плит водобою і рисберми аналогічно попереднім випадкам порівнянням і (аналогічно п. ІІІ.1,а з розрахунку суцільної водобійної стінки).

Найкращий ефект роботи гасителя - розтікача досягається при . При більших значеннях струмина фонтанує і в кінці водозливної поверхні греблі необхідно влаштовувати спеціальні розщіплювачі.

III. Найбільший допустимий гідродинамічний напір за умовами кавітації становить

- при співвідношенні розмірів ;

- при .

4.3 Визначення розмірів горизонтального кріплення дна в нижньому б'єфі

Довжина жорсткої ділянки кріплення призначається в залежності від допустимої за умовами виконання робіт крупності каменя гнучкого (що деформується) кріплення. В цю довжину включають (рис. 4.3):

- водобій до гасителів енергії;

- ділянку падіння потоку за гасителем (від напірної грані стінки до стисненого перерізу за нею);

- ділянку стрибка довжиною за гасителем (від стисненого перерізу до кінця стрибка);

- частину післястрибкової ділянки довжиною ( рис.4.3).

Для суцільної водобійної стінки

1. , (4.41)

де

2. , (4.42)

де - глибина в стисненому перерізі за стінкою (на рисбермі) знаходиться з граф. 4.6. за співвідношенням

- спряжена глибина гідравлічного стрибка на рисбермі, знаходиться з виразу

.

3.

Для прорізної водобійної стінки і гасителя - розтікача віддаль до кінця стрибка за ними приймається такою ж, як для еквівалентної за ефектом гасіння енергії суцільної водобійної стінки, встановленої на відстані

від стисненого перерізу. Тобто, потрібно попередньо визначити необхідні величини (,,) для суцільної водобійної стінки.

Крупність стійкого каменя гнучкої рисберми , розташованої на відмітці водобою при наявності на водобої суцільної або прорізної стінки, визначається з граф. 4.10, для гасителя - розтікача - з граф. 4.11 в залежності від

- - коефіцієнта затоплення стрибка;

- - загальної довжини жорсткої рисберми від початку водобою;

- - глибини води в кінці жорсткої частини кріплення (побутової).

Знайдений діаметр каменя, помножений на коефіцієнт запасу 1,3, не повинен перевищувати 0,5м

(4.43)

При невиконанні умови необхідно влаштовувати кінцеве кріплення у вигляді захисного (запобіжного) ковша (п.4.4).

Довжина перехідного (гнучкого) кріплення з кам'яного накиду визначається в залежності від глибини вирви розмиву, що очікується, за кріпленням (рис.4.12).

1. Орієнтовна глибина води в місці максимального розмиву

, (4.44)

де - коефіцієнт спроможності потоку до розмиву;

- коефіцієнт нерівномірності розподілу питомої витрати ;

- питома витрата в кінці жорсткої частини рисберми (з урахуванням її розширення в плані);

- середня швидкість, що не спричинить розмиву, рівномірного потоку в м/с при глибині 1м, може бути прийнята для ґрунту основи:

пісок дрібний -0,26м/с;

пісок середній -0,45м/с;

пісок крупний -0,61м/с;

пісок гравелистий0,78м/с;

глина - 0,85м/с;

суглинок - 0,7м/с;

супісок - 0,2м/с.

2. Глибина вирви розмиву

3. Довжина гнучкого кріплення визначається з умови покриття верхового укосу воронки розмиву. З цієї умови дорівнює закладанню укосу, яке відповідає віддалі від кінця жорсткого кріплення до створу з максимальною глибиною розмиву (тобто =).

Величина визначається за таб.4.4 з співвідношення в залежності від співвідношення

де - максимальна пульсаційна швидкість в кінці жорсткого кріплення;

швидкість, що відповідає критичній глибині в кінці жорсткого кріплення рисберми (з урахуванням її розширення);

;

.

Таблиця 4.4 Відносні відстані від кінця жорсткого кріплення до створу максимального розмиву

(4.45)

- середня швидкість в кінці жорсткого кріплення;

- параметр турбулентності в кінці жорсткого кріплення;

(4.46)

де

- віддаль від стисненого перерізу за суцільною водобійною стінкою до перерізу, що розглядається.

Дана залежність має достатню точність для .

Для приймається .

Для м ( виявляється надто великою) приймають рівною .

4. Об'єм призми накиду обчислюється з умови покриття укосу воронки розмиву двома шарами каменю. Обчислюється довжина укосу, що захищається , як гіпотенуза прямокутного трикутника з катетами і .

Об'єм каменю на погонний метр ширини кріплення

. (4.48)

Камінь вкладається на довжині нерівномірно. На кінцевій ділянці довжиною товщина шару каменю менша, з наближенням до жорсткого кріплення товщина накиду збільшується. Всього може бути три ділянки з різною товщиною шарів; товщина шару кожної ділянки призначається таким чином, щоб сумарний об'єм каменю був рівний .

5. Знаючи об'єм каменю на 1п.м. ширини кріплення, обчислюється об'єм каменю всього гнучкого кріплення по всій його ширині.

4.4 Визначення розмірів кріплення з ковшом

При влаштуванні кріплення дна в нижньому б'єфі з захисним ковшом глибина ковша визначається за заданою крупністю кам'яного накиду підбором після обчислення ряду значень для різних глибин води в ковші (рис.4.3).

Порядок розрахунку:

1. Задається глибина води в ковші .

2. Обчислюється повна довжина жорсткого кріплення

(4.49)

3. Визначається параметр турбулентності в кінці жорсткого кріплення при прийнятій глибині води в ковші за формулою (4.45), що характеризує ступінь збільшення турбулентності в порівнянні з рівномірним потоком.

4. Визначається параметр турбулентності потоку в самому ковші

, (4.50)

де - відносна глибина води в ковші;

- коефіцієнт закладання верхового укосу ковша.

5. Визначається коефіцієнт спроможності потоку до розмиву в ковші

, (4.51)

6. Визначається швидкість, що не спричинить розмиву, потоку з нормальною турбулентністю

(4.52)

де - середня швидкість потоку в ковші

7. Крупність каменю в ковші, стійкого проти розмиву

8.

(4.53)

9. Отриману крупність каменю множимо на коефіцієнт запасу, після чого вона не повинна перевищувати 0,5м

10. Необхідна глибина ковша при цьому .

При улаштуванні на водобої прорізної стінки з параметрами

- закладання верхового укосу стінки 4:1

- висота ;

при глибині потоку на рисбермі і співвідношенні допускається визначати підбором безпосередньо за залежністю

. (4.54)

За недотримання вказаних умов за крупністю каменя , вона визначається за вищевказаною методикою.

Верховий укіс ковша покривається бетонними плитами. Загальна довжина жорсткого кріплення збільшується на величину проекції укосу на горизонталь .

Після визначення глибини захисного ковша визначається довжина перехідного кріплення з кам'яного накиду за методикою, аналогічною випадку горизонтального кріплення без ковша.

5. Конструювання греблі

5.1 Побудова профілю водозливної стінки

Основним типом водоскидних гребель на нескельних основах є бетонні греблі з водозливною поверхнею безвакуумного профілю, окресленою за координатами Крігера - Офіцерова, що забезпечує донний режим спряження б'єфів .

При побудові профілю водозливної поверхні за основу приймаємо найпростіший профіль з (рис. 5.1, а). Основним елементом профілю є крива , яка будується за координатами Крігера-Офіцерова (таб. 5.1).

Координати профілю отримують множенням координат з таб.5.1 на профілюючий напір (максимальний напір, який має місце при ФПР)

Таблиця 5.1. Координати та для побудови водозливної поверхні безвакуумного профілю при Н=1,0м

З низової сторони проводиться дотична із закладанням (точка дотику , яка також має бути дотичною до дуги , що спряжує водозливну поверхню з водобоєм. Для гребель на нескельній основі при великих напорах дуга повинна мати радіус

, (5.1)

де - найбільша різниця рівнів верхнього і нижнього б'єфів.

При необхідності розміщення на гребені водозливу робочих і ремонтних затворів на відмітці гребеню водозливу виконується горизонтальна ділянка довжиною (рис 5.1, б).

У випадку, якщо в результаті перевірочного статичного розрахунку виявиться, що водозливна стінка, побудована за координатами Крігера-Офіцерова, нестійка на зсув по основі, її можна відкоригувати за рахунок додавання частини профілю або, показаних на рис.5.1.в, г штриховкою

В другому випадку стійкість греблі збільшується не лише за рахунок додаткової ваги бетону, але і за рахунок ваги води . Іноді буває доцільно використати обидва прийоми одночасно. Тоді профіль водозливної стінки приймає вигляд, показаний на рис.5.1, д.

При влаштуванні тимчасового порогу для пропуску будівельної витрати при зведенні греблі методом гребінки та необхідності розміщення будівельних затворів профіль греблі матиме вигляд, показаний на рис.5.1, е .У відповідності до завдання деякі студенти проектують полегшені водозливні греблі, особливість яких в тому, що їх водозлив має пустотілу конструкцію, яка потребує приблизно на 20% менше бетону, ніж монолітна конструкція. Приклад такої греблі показаний на рис.5.2. В даній греблі порожнини зроблені двохярусними у зв'язку з пропуском повені в період будівництва по перекриттю нижньої порожнини.

В першому наближенні ширина греблі по підошві може бути прийнята в залежності від різниці напорів на греблі та типу ґрунтів основи:

галькові та гравійні -

супіщані та піщані -

суглинисті -

глинисті -

5.2 Елементи підземного контуру греблі

5.2.1 Понури

При розробці конструкції понуру необхідно мати на увазі, що коефіцієнт фільтрації матеріалу його водонепроникної частини має бути приблизно в 100 разів менше коефіцієнта фільтрації основи. В зв'язку з цим понури з глинистих матеріалів (рис. 5.3, а) застосовуються при водопроникних ґрунтах основи - піщаних, піщано - гравійних і т. ін. На глинистих основах понури виконуються з таких водонепроникних матеріалів, як бетонні, бітумні суміші та асфальти. Часто при цьому вони виконуються анкерними (рис. 5.3, в). Тип понуру встановлюється студентом самостійно.

При будь-якій конструкції понуру він має бути захищений від підмиву з верхової сторони. Тому перед ним необхідно влаштовувати початкове кріплення у вигляді запобіжного ковша, завантаженого камінням (рис. 5.4).

5.2.1.1 Глинистий понур

Попередньо понуру з глинистих матеріалів можна надати наступних розмірів (рис. 5.3,а):

- мінімальна товщина понуру в верховій частині м;

- в примиканні до греблі м;

- коефіцієнти закладання будівельних укосів і призначають у відповідності до властивостей ґрунтів основи;

- товщину понуру в проміжних вертикальних перерізах можна призначати за залежністю

(5.2)

де - втрата напору від початку підземного контуру до вертикального перерізу, що розглядається.

Шов (або його частина) спряження глинистого понуру і тіла греблі роблять зазвичай похилим для того, щоб він не розкривався при осіданні понуру і греблі.

У відповідальних випадках цей шов спеціально ущільнюється (рис. 5.3,б).

Аналогічно здійснюється спряження такого понуру зі стінкою верхового відкрилку берегового стояну.

Довжина понуру приймається в межах

Зверху водонепроникний матеріал понуру прикривається захисним шаром з будь-якого місцевого ґрунту товщиною не менше глибини промерзання для запобігання утворення тріщин глинистого матеріалу в період до затоплення понуру та можливих пошкоджень в період експлуатації. Зверху захисного шару відсипається зворотний фільтр товщиною м. Безпосередньо на глинисту частину понуру зворотний фільтр відсипається лише на маловідповідальних греблях. Зверху зворотного фільтра влаштовується кріплення у вигляді або кам'яної мостової (рис. 5.3,б), або (частіше) у вигляді бетонних збірних або монолітних плит товщиною м (рис. 5.3,а).

5.2.1.2 Анкерний понур

Анкерні понури (рис. 5.4) зазвичай складаються із залізобетонних плит товщиною м, арматура яких з'єднана з арматурою нижньої сітки фундаментної плити. Для створення гнучкого шва між греблею і понуром в місці їх з'єднання цементний бетон замінюється на армований асфальтобетон. Для забезпечення необхідної водонепроникності понуру залізобетонні плити покривають зверху двома шарами бітумних матів та шаром суглинку або глини. Для привантаження понура та захисту його від пошкоджень зверху відсипається місцевий ґрунт (пісок) товщиною не менше глибини промерзання, по верху якого вкладається захисне кріплення по зворотному фільтру.

Довжину анкерного понуру попередньо можна призначити за аналогією з понуром з глинистих матеріалів. Довжина може бути уточнена на основі фільтраційних та статичних розрахунків. Розміри інших елементів таких понурів в проекті можна приймати за аналогами побудованих споруд.

5.2.2 Шпунти

В якості вертикальних протифільтраційних пристроїв в проекті рекомендується використовувати плоскі стальні шпунти: верховий (корольовий) шпунт та низовий (водобійний). У випадку анкерного понуру застосовується також верховий понурний шпунт (або зуб).

В першому наближенні довжина понурного шпунта може бути прийнята від м до , корольового - в межах . Менші значення коефіцієнтів відповідають глинистим і суглинистим основам та високим греблям. Віддаль між шпунтовими рядами повинна бути не менше їх сумарної довжини.

З'єднання шпунта з фундаментом греблі виконується шляхом влаштування спеціальних гідроізоляційних шпонок , розміщених в бетоні фундаменту (рис. 5.5).

5.2.3 Бетонні зуб'я

Бетонні зуб'я при наявності шпунтових рядів робляться неглибокими - м, шириною по низу - м. Коефіцієнти закладання будівельних укосів можуть бути прийняті .

5.2.4 Дренаж основи

Під тілом греблі у більшості випадків доцільно влаштовувати горизонтальний дренаж, оскільки в цьому випадку фільтраційний тиск на тіло греблі практично повністю знімається. Кількість шарів та крупність фракцій такого дренажу підбираються в залежності від типу ґрунту основи і його гранулометричного складу. Для гребель на ґрунтах, що легко вимиваються, дренажі влаштовуються трьохшаровими. Загальна товщина всіх шарів такого дренажного фільтру приймається в межах м.=0.9м

Відвід води із горизонтального дренажу під тілом греблі здійснюється через систему труб в низовому зубі греблі з виведенням її в дренаж під водобійною плитою, або через систему труб в тілі бетонної греблі з виведенням їх нижче мінімального рівня води нижнього б'єфу (рис. 5.2). При цьому вихідні отвори таких труб розташовують в низових оголовках бичків та стоянах.

5.3 Пристрої нижнього б'єфу

Тип гасителя енергії на водобої вказується в завданні, а їх розміри і розташування встановлюються гідравлічними розрахунками. Цими ж розрахунками встановлюються тип та протяжність окремих частин кріплення нижнього б'єфу.

Попередньо товщина водобою може бути визначена за залежністю

, (5.3)

де - довжина водобою, може бути прийнята

- спряжені глибини гідравлічного стрибка.

Остаточно товщина водобійних плит обґрунтовується статичним розрахунком.

Плити водобою відокремлюються деформаційними швами від тіла греблі по ширині водобою. В напрямку течії вони робляться зазвичай цільними, але в деяких випадках (при значній довжині водобою) можуть розділятися на дві частини. Зазвичай вони розрізаються швами по продовженням осей бичків. При відстані між цими швами більше 15-20м влаштовуються додаткові поздовжні шви водобою по осях прольотів греблі. Всі вказані шви не ущільнюються, вони водопроникні.

Під водобійною плитою влаштовується дренаж, захищений зворотним фільтром (одно- або двохшаровим). Відвід води з дренажу можна здійснювати:

- через фільтраційні (розвантажувальні) отвори в водобійній плиті, які також знижують небажаний дефіцит тиску під нею;

- в горизонтальному напрямку в область водопроникної рисберми.

Влаштування розвантажувальних колодязів є небажаним лише у випадку дрібнопіщаних основ, коли є небезпека винесення через них часток основи в результаті ежекційного впливу поверхневого потоку.

Товщина дренажного шару під плитами водобою може складати, наприклад, на початку =0,7м, в кінці - =0,4м. Розвантажувальні отвори роблять розміром від м до м та заповнюють їх кам'яним матеріалом, зверху перекривають металічними решітками. Ці отвори розташовуються в шаховому порядку через м в ряду один від одного. Ряди отворів розташовують не менше, ніж через м. При цьому площа розвантажувальних отворів повинна складати не менше від площі всього кріплення. На початку водобійної плити, наприклад, на першій третині її довжини, де ежекція потоку може бути особливо великою, розвантажувальні колодязі розташовувати не рекомендується.

Жорстка частина рисберми найчастіше виконується з бетонних та армобетонних плит. На початковій ділянці рисберми товщину плит приймають до м, на кінцевій - м і більше. Зміна товщини плит по довжині рисберми відбувається уступами. Плити виконують квадратними або прямокутними в плані довжиною від до м. При заданих планових розмірах плити її товщину можна орієнтовно визначати з умов для неармованих плит

(5.4)

для армованих плит

(5.5)

де- довжина плити в напрямку течії.

Поздовжні шви між плитами рекомендується влаштовувати «вперев'язку». Якщо плити є прямокутними, їх необхідно вкладати довгою стороною вздовж течії. Під плитами вкладається двох або трьохшаровий зворотний фільтр товщиною м. На поверхню зворотного фільтра при бетонуванні плит на місці вкладають шар жорсткої бетонної суміші у якості підготовки товщиною м.

В плитах рисберми, як і на водобої, влаштовують розвантажувальні отвори у відповідності до вищенаведених рекомендацій для водобійних плит. Прикладом сучасного типу кріплення дна в нижньому б'єфі може бути кріплення Волгоградської греблі на р.Волга (рис. 5.6) .

З метою зменшення питомих витрат в кінці кріплення дна в нижньому б'єфі русло рекомендується розширювати в плані під кутом , величина якого приймається з умови

(5.6)

Розміри ковшового кінцевого кріплення рисберми встановлюються розрахунком.

В межах водобою і рисберми виконується кріплення берегів. Вздовж водобою берег зазвичай укріплюється вертикальною підпірною стінкою низового відкрилку берегового стояну, вздовж рисберми - вертикальним або укісним кріпленням з того ж матеріалу, що і рисберма.

5.4 Бики

Форму оголовків биків в плані в курсовому проекті рекомендується приймати напівциркульною або криволінійною загостреною.

При можливості льодоходу оголовок бика необхідно приймати загостреної форми.

У відповідності до рекомендацій А.Р.Березинського товщини биків приймаються наступними

при

при

при

при

Тут нижні значення відносяться для напорів м.

Товщина здвоєних (розрізних) бичків збільшується приблизно на .

Влаштування пазів в биках у випадку плоских затворів здійснюється у загальному випадку так, як показано на рис.5.7. Їх розміри наближено можуть бути прийняті наступними :

;

м;

м

Відстані між затворами і повинні забезпечувати зручні умови роботи по ремонту робочого затвору. Зазвичай ці розміри призначаються не менше м.

Товщина бика в звуженій частині

м

Тоді повна товщина бика

м.

Сегментні затвори не потребують влаштування пазів в биках і їх товщина може бути зменшена до м.

Відмітка гребеня бика і його форма збоку визначаються розташуванням транзитних і службових мостів. В курсовому проекті перевищення гребенів биків та земляної греблі над ФПР необхідно приймати:

- для І класу капітальності - м;

- для ІІ-IV класів капітальності - м

При зведенні греблі методом гребінки в биках з боку верхнього б'єфу необхідно також влаштовувати пази для будівельних затворів, які рекомендується виконувати як продовження пазів ремонтних затворів (рис.5.5 і 5.6). Якщо виникає необхідність огороджування гребінки також і зі сторони нижнього б'єфу, то на низових ділянках биків також влаштовуються пази для будівельних затворів.

Для скорочення термінів будівництва бики і стояни бетонуються зазвичай з використанням плит-оболонок або армоплит, які виконують функції опалубки, що в курсовому проекті необхідно відобразити на кресленнях биків та стоянів відповідними шриховками.

5.5 Оглядові галереї та дренаж тіла греблі

Розміри оглядових галерей встановлюються у відповідності до їх призначення (контроль, цементація, відвід фільтраційних вод, транспортне використання, комунікації). При необхідності виконання робіт в галереї (бурових і т.п.) вони повинні мати ширину м і висоту м. Розміри галерей при відсутності виконання в них робіт призначаються: ширина - м, висота м.

Галереї, що розташовуються нижче рівня води нижнього б'єфу, повинні забезпечуватись примусовою відкачкою води. Відкачку води рекомендується проводити за допомогою ежекторів, що живляться водою з верхнього б'єфа (рис. 5.5).

Дренаж тіла греблі суцільного профілю включає ряд вертикальних дрен, що розташовуються на відстані м від напірної грані. Дрени мають діаметр см та розташовуються в ряду через м. Вони виконуються із збірних блоків пористого бетону і інших конструкцій, що забезпечують безперешкодний відвід фільтраційної води з тіла греблі.

5.6 Шви греблі і їх ущільнення

Греблі напором більше м на нескельних основах як правило складаються з секцій, в яких водозлив та бички об'єднані в одну конструкцію на спільній фундаментній плиті.

В залежності від якості та однорідності основи розрізка греблі по бичках може призначатися через один (рис. 5.8, а), два - (рис. 5.8, б), три (рис. 5.8, в) прольоти. Віддаль між наскрізними швами може бути до м, іноді і більше. В цьому випадку для попередження значних температурних напружень в тілі греблі у бичків влаштовуються шви-надрізи (рис. 5.8, б, в), які доходять тільки до фундаментної плити.

Ширину шва в бичках біля гребеня споруди рекомендується приймати см, в межах фундаментної плити - см. Ширина температурних швів-надрізів см.

Протифільтраційні ущільнення швів в бичках в загальному випадку можуть мати наступні елементи (рис.5.9):

- головне горизонтальне ущільнення;

- донне горизонтальне ущільнення;

- контурне ущільнення;

- дренажна шахта;

- головне вертикальне ущільнення;

- контурне ущільнення оглядових галерей.

Контурні ущільнення можуть бути зовнішніми і внутрішніми. Зовнішні влаштовують для недопущення проникнення в шов напірних ґрунтових вод, сміття, криги. Внутрішні захищають галереї від затоплення водою.

5.7 Спряжуючі споруди

Спряжуючі споруди влаштовуються в місцях примикання греблі до інших споруд гідровузла.

Спряження з будівлею ГЕС (рис.5.10) виконується за допомогою роздільних стінок (роздільних стоянів), які виступають в бік верхнього б'єфа на довжину не більше довжини понуру, та не менше, ніж на довжину водобою, в бік нижнього б'єфа, а іноді - і на довжину рисберми.

Роздільна стінка є по конструкції напівбиком. Верхня грань стінки повинна бути вище рівня води не менше, ніж на м.

Спряження водозливної греблі із земляною або берегом виконується за допомогою берегових стоянів і відкрилків, що мають форму підпірних стінок. В греблях на нескельних основах стоян і водозливна частина греблі зазвичай об'єднуються в єдину докову конструкцію.

Частина земляної греблі або берега, що примикає до водозливної греблі, виконується у вигляді поширеного майданчика (монтажного), щоб забезпечити зручні умови для монтажу кранів і затворів, виїзд кранів з греблі, виконання ремонту затворів і розміщення затворосховищ (рис.5.10). Довжина цього майданчика дорівнює довжини водозливних отворів.

Довжина верхових спряжуючих відкрилків зазвичай дорівнює довжині понура. В тому випадку, якщо цієї довжини недостатньо для плавного підводу річкового потоку до греблі, влаштовуються спеціальні струмененапрямні дамби. Необхідність в них та їх розміри встановлюються лабораторними дослідженнями.

В вертикальній площині спряжуючі відкрилки влаштовують в більшості випадків постійної висоти з відміткою гребеня, що дорівнює відмітці гребеня стояну. Рідше їх роблять пірнаючими із змінною висотою гребеня відкрилка у відповідності до верхового укосу глухої греблі або берега.

В плані верхові і низові відкрилки роблять або в одній площині із стояном (рис. 5.10, а) або під кутом (рис. 5.10, б), що зменшує питомі витрати води і розмив дна в кінці рисберми.

Низова спряжуюча стінка у більшості випадків виконується в плані у вигляді прямого або тупого кута. Вниз за течією її довжина може відповідати довжині водобою або доходити до кінця рисберми на відповідальних об'єктах. Якщо цього недостатньо для плавного розтікання потоку і захисту від розмиву земляної греблі, влаштовуються спеціальні струмененапрямні дамби, розміри і окреслення яких встановлюються лабораторними дослідженнями.

Гребінь низового відкрилка поступово опускається вниз за течією у відповідності до укосу земляної греблі або планування берегів та зазвичай не затоплюється водою нижнього б'єфу.

Для перешкоджання місцевого фільтраційного випору в низовій частині стояну тут влаштовується відповідний дренаж, захищений зворотним фільтром (рис. 5.10). Він повинен бути продовженням дренажу земляної греблі.

В деяких випадках влаштовують додатково протифільтраційні шпори або діафрагми (рис. 5.10), які необхідно розташовувати не нижче лінії затворів греблі (за течією). Довжина діафрагми та місцеположення дренажу встановлюються розрахунком фільтраційної міцності засипки пазух стояну.

Діафрагми можуть мати вигляд бетонної або залізобетонної стінки, ядра з суглинистого ґрунту, пальового шпунтового ряду. В останньому випадку, якщо під греблею є шпунт, то його спряжують із шпунтом діафрагми. З'єднання греблі з такою діафрагмою виконується гнучкою шпонкою (рис.5.11).

Підпірні стінки спряжуючих відкрилків складаються зазвичай з секцій довжиною від до м різної висоти на окремих фундаментних плитах. Вони виконуються з бетону або залізобетону і є спорудами гравітаційного типу.

При незв'язних ґрунтах основи найбільш ефективним є застосування кутникових стінок. Кутникова підпірна стінка (рис. 5.12) виконується із монолітного залізобетону і складається з вертикальної і горизонтальної плит. Ширину горизонтальної фундаментної плити попередньо можна прийняти рівною

, (5.7)

де - висота стінки.

Довжину передньої консольної частини фундаментної плити призначають в межах

(5.8)

довжину задньої консольної частини

(5.9)

товщину вертикальної плити по низу

(5.10)

товщину вертикальної плити по верху

(5.11)

Товщина горизонтальної плити в місці спряження з вертикальною дорівнює товщині останньої по низу , по краях - дещо менше.

6. Фільтраційний розрахунок підземного контуру греблі

6.1 Загальні положення

В задачі фільтраційного розрахунку підземного контуру входять:

1. перевірка розмірів підземного контуру за умовами фільтраційної міцності основи;

2. визначення сил фільтраційного і зважуючого тисків (протитиску);

3. Перевірка місцевої фільтраційної міцності ґрунту основи в місцях виходу фільтраційного потоку в нижній б'єф.

В курсовому проекті:

- при визначенні сил фільтраційного протитиску розглядається основний розрахунковий випадок пропуску максимальної розрахункової витрати при НПР в умовах плоскої задачі. При цьому розглядається 1 п.м. довжини греблі;

- при перевірці фільтраційної міцності основи розглядається експлуатаційний випадок, що відповідає нормальним умовам експлуатації (рівень води у верхньому б'єфі - НПР, в нижньому - меженний).

Фільтраційний розрахунок виконується за методом коефіцієнтів опору Чугуєва Р.Р. .

Розрахунок починають з розробки розрахункової схеми підземного контуру, яка отримується із дійсної схеми підземного контуру шляхом виключення дрібних деталей (таких, як дрібні зуб'я), що суттєво не впливають на результати розрахунку. Бетонні зуб'я умовно замінюються водонепроникними шпунтами тієї ж глибини.

Заглиблення фундаменту греблі в ґрунт встановлюється з урахуванням впливу фільтраційного потоку. Заглиблення низового зуба (або зуба і шпунта, якщо він влаштовується) в основу відносно поверхні водобою може бути знайдено за формулою

(6.1)

де - товщина плити водобою;

- товщина дренажу під водобоєм (рис. 6.1);

- заглиблення низового зуба та шпунта відносно початку дренажу.

Заглиблення низового зуба за умовами зменшення вихідних швидкостей фільтраційного потоку може бути визначено за формулою

, (6.2)

де - заглиблення розрахункового водоупору під дно ВБ;

- горизонтальна проекція підземного контуру.

При відомих довжинах низового шпунта та низового зуба встановлюються всі відмітки підошви греблі.

Відмітка підошви греблі з урахуванням затоплення гідравлічного стрибка і впливу фільтраційного потоку

,

де - довжина низового шпунта.

При влаштуванні плоского дренажу під тілом греблі розрахунковий підземний контур закінчується на початку дренажу (і у відповідності до цього призначається його розрахункова схема).

6.2 Встановлення положення розрахункового водоупору

У відповідності до методу коефіцієнтів опору встановлюється розрахункове положення водоупору, яке в загальному випадку може не співпадати з положенням дійсного водоупору і є різним при вирішенні конкретних задач розрахунку.

Приклад розрахункової схеми при рівності відміток верхнього і нижнього б'єфів наведено на рис. 6.1.

Розрахункова глибина залягання водоупору, що характеризується поняттям активної зони фільтрації, визначається:

- при визначенні фільтраційного протитиску і контролюючого градієнту напору ;

- при визначенні вихідного градієнту .

Дані величини визначаються в залежності від типу схеми підземного контуру (розпластана, проміжна, заглиблена, дуже заглиблена) за формулами з таб.6.1. Тип схеми визначається за співвідношенням (,- горизонтальна і вертикальна проекції підземного контуру).

Таблиця 6.1 Визначення розрахункових значень та

Розрахункове значення приймається в залежності від дійсного залягання водоупору

- при ;

- при

6.3 Визначення числових значень коефіцієнтів опору

У відповідності до розрахункової схеми (рис.6.1) у підземному контурі можуть бути виділені наступні елементи:

1. вертикальні елементи:

- при наявності шпунтів: вхідний 1-2, 2-3, і вихідний 7-8, 8-9 (коефіцієнт опору );

- внутрішній шпунт - 4-5, 5-6, або (при відсутності шпунта) - внутрішній уступ 4-6 (коефіцієнт опору ).

- при відсутності шпунтів: вхідний 1-3 і вихідний 7-9 (коефіцієнт опору )

2. горизонтальні елементи 3-4, 6-7. Для них коефіцієнт опору.

Значення коефіцієнтів опору знаходяться за формулами:

1. Коефіцієнти опору на вході, виході:

- При наявності вхідного і вихідного шпунтів

(6.3)

де (6.4)

- глибина залягання розрахункового водоупору зліва і справа від шпунта чи уступу, що розглядається (завжди приймається ).

- довжина шпунта;

(6.5)

- При відсутності шпунта ()

(6.6)

- При відсутності уступу і шпунта (,)

. (6.7)

2. Для визначення коефіцієнту опору внутрішнього шпунта використовується формула (6.4).

3. Для горизонтальних елементів довжиною коефіцієнт опору знаходиться за формулою

(6.8)

де - розміри шпунтів, розташованих зліва і справа від горизонтального елемента.

Якщо шпунт суміщується з зубом чи уступом, то вони також включаються в довжину шпунта.

6.4 Фільтраційні розрахунки за методом коефіцієнтів опору

Прийняті розміри підземного контуру греблі необхідно перевірити за умовами загальної і місцевої фільтраційної міцності ґрунту основи.

Загальна фільтраційна міцність основи забезпечується, якщо

, (6.9)

де - контролюючий градієнт напору фільтраційного потоку і його допустиме значення.

У випадку звичайної схеми підземного контуру, коли

(6.10)

де - сума коефіцієнтів опору при

(6.11)

При розпластаній схемі підземного контуру

, (6.12)

де- похил лінії епюри фільтраційного тиску на горизонтальній ділянці підземного контуру.

Згідно допустиме значення контролюючого градієнту

(6.13)

де - осереднений розрахунковий критичний градієнт напору:

(для глини - 1,2; суглинку - 0,65; пісків крупних - 0,45; пісків середніх 0,38; пісків дрібних - 0,29).

- коефіцієнт надійності (для І класу - 1,25; ІІ - 1,2; ІІІ - 1,15; IV - 1,1).

Місцева фільтраційна міцність ґрунту основи забезпечується, якщо виконується умова

, (6.14)

де - максимальний градієнт напору фільтраційного потоку (на виході в нижній б'єф або в дренаж);

- допустиме значення градієнту напору (для несуфозійних ґрунтів - не більше 0,3; при наявності дренажу - не більше 0,6).

При перевірці місцевої фільтраційної міцності основи на виході в нижній б'єф або дренаж максимальний градієнт напору фільтраційного потоку визначається за формулою

(6.15)

де - сума коефіцієнтів опору при ;

(6.16)

відносяться до вихідного елементу підземного контуру, можливі варіанти якого показані на рис. 6.2.

Формула (6.15) рекомендується для

,

Методика визначення в інших випадках викладена в . Якщо дійсний водоупор розташований на значній глибині (наприклад ), то вихідний градієнт необхідно помножити на коефіцієнт запасу 1,1.Якщо в результаті розрахунків умови загальної і місцевої фільтраційної міцності не задовольняються, розміри і конструкція підземного контуру повинні бути відкориговані. Допустиме значення місцевого градієнту напору при наявності дренажу. Оскільки , то місцева фільтраційна міцність основи забеспечується. Для побудови епюри зважуючого тиску визначаються величини

Таблиця 6.2

7. Статичний розрахунок

7.1 Визначення розрахункових навантажень на греблю

В курсовому проекті діючі навантаження приймаються при основному їх поєднанні , коли в верхньому бєфі має місце нормальний підпірний рівень води.

При розрахунках гребель на основні поєднання навантажень враховуються навантаження:

- власна вага споруди;

- сили гідростатичного і фільтраційного тисків води;

- сили хвильового тиску;

- сили тиску наносів і ґрунту основи;

- вага затворів, підйомних механізмів, службових і транспортних мостів.

Статичний розрахунок виконується для секції греблі, тому навантаження приймаються діючими на всю секцію греблі. Розрахункова схема для визначення діючих навантажень представлена на рис. 7.1.

Власна вага визначається на основі відомих розмірів споруди і питомої ваги матеріалу за формулою

(7.1)

де - питома вага матеріалу; (для бетону ; для залізобетону );

- об'єм елементу споруди, м³;

- довжина секції греблі

- кількість водозливних отворів (прогонів) в секції греблі;

- площа поперечного перерізу елементу споруди, м².

Навантаження від власної ваги визначається за найпростішими геометричними фігурами, на які розбивається профіль споруди, і прикладається в їх центрі ваги.

Сили фільтраційного та зважуючого тисків на підземний контур греблі визначаються як добуток площ відповідних епюр на довжину секції греблі . Епюри побудовано в п.6.4. При цьому окремо розглядаються сили фільтраційного і зважуючого тисків , що діють на підошву греблі, та , що діють на понур (враховуються у випадку анкерного понуру).

Сили гідростатичного тиску визначаються шляхом їх розкладання на вертикальну і горизонтальну складові. Точки прикладання сил гідростатичного тиску відповідають центрам ваги відповідних епюр.

Горизонтальні складові сил гідростатичного тиску, що діють на секцію споруди, знаходяться як добуток площі епюри на довжину секції .

Епюри горизонтальних складових сил гідростатичного тиску , що діють на греблю відповідно з боку верхнього та нижнього б'єфів, мають форму трикутників з максимальним значенням в основі трикутника з урахуванням водопроникності наносів

де - відповідна глибина води.

Епюра горизонтальної складової сили гідростатичного тиску з боку верхнього бєфу на ділянці примикання понуру має форму трапеції:

- у випадку глинистого понуру:

нижня ордината епюри (1-2), яка відповідає низовому ребру напірної грані греблі, дорівнює сумі ординат епюр сил зважуючого і фільтраційного тисків в цій самій точці (3-5 та 5-6);

- у випадку анкерного понуру (див. фрагмент з анкерним понуром на рис.7.1):

ордината епюри горизонтальної сили гідростатичного тиску (7-8) дорівнює сумі ординат епюр сил зважуючого і фільтраційного тисків в точці верхової грані греблі безпосередньо під понуром (3-4 та 5-6),

ордината (9-10) дорівнює сумі ординат тих самих епюр в точці низового ребра верхової грані греблі (3-5 та 5-6

Вертикальні складові сил гідростатичного тиску в межах секції дорівнюють вазі води в об'ємі тіла тиску, що обмежується гранями греблі, вертикальною площиною, проведеною через крайню їх твірну, і площинами биків (стоянів). Сила хвильового тиску на греблю при заданих розрахункових значеннях висоти і довжини хвилі для глибоководної зони (при глибині води в верхньому бєфі ) може бути наближено знайдена за формулою

, (7.2)

де - перевищення середньої хвильової лінії над розрахунковими статичним рівнем води

. (7.3)

Плече сили відносно рівня спокійної води верхнього бєфу в цьому випадку визначається за формулою

. (7.4)

Сили тиску наносів і грунту.

Горизонтальна складова сили активного тиску наносів і у відповідності до визначається за формулою

, (7.5)

де - питома вага наносів у зваженому стані;

- кут внутрішнього тертя наносів,

- товщина шару наносів у верхньому бєфі.

Епюра цієї сили має форму трикутника з максимальною ординатою в основі

. (7.6)

Сила вертикального тиску наносів дорівнює вазі наносів у зваженому стані в об'ємі тіла тиску і визначається за формулою

, (7.7)

де - довжина верхової консолі фундаментної плити.

Сила активного тиску ґрунту товщиною на верхову грань греблі

- у випадку глинистого понуру це - сила тиску ґрунту захисного шару і самого понуру,

- у випадку анкерного понуру це - сила тиску ґрунту під понуром.

Епюри цих сил мають вигляд трапецій.

Нижня ордината цієї епюри

, (7.8)

де - кут внутрішнього тертя ґрунту в насиченому водою стані;

- питома вага ґрунту у зваженому стані;

- питома вага ґрунту в насиченому водою стані.

Величина активної сили тиску ґрунту, що діє на секцію греблі, дорівнює площі епюри, помноженій на довжину секції

. (7.9)

Верхня ордината сили пасивного тиску ґрунту товщиною на низову грань греблі обчислюється за формулою

, (7.10)

де - питома вага бетону водобою у зваженому стані.

Нижня ордината визначається за формулою

, (7.11)

Величина пасивної сили тиску ґрунту, що діє на секцію греблі, знаходиться за формулою, аналогічною (7.9).

Вага сучасних конструкцій затворів може бути наближено визначена за емпіричною формулою

, (7.12)

де - напір на гребені водозливу при НПР.

- коефіцієнти, що визначаються за таб.7.1 в залежності від типу і конструкції затвору.

Таблиця 7.1 Значення коефіцієнтів

Вага підйомних механізмів визначається по таб.7.2 в залежності від ширини водозливного отвору (прогону), напору і ширини колії .

Таблиця 7.2 Основні характеристики козлових кранів

Вага мостів визначається за специфікаціями до проекту. В курсовому проекті їх вагу встановлюють у відповідності до фізичного об'єму матеріалу мосту за формулою

. (7.13)

Орієнтовні розміри основних конструктивних елементів моста (рис.7.2):

- висота головних балок ;

- ширина головних балок ;

- відстань між головними балками - м;

- приведена товщина плити -м.

Вага плоского затвору і підйомного механізму прикладаються по лінії водозливного порогу, сегментного затвору - на відстані від осі обертання затвору, де - радіус напірної поверхні затвору.

Вага мостів прикладається в їх центрі ваги.

Корисне тимчасове навантаження на міст приймається рівномірно розподіленим по ширині мосту в межах секції греблі. Його значення може бути прийняте для всіх класів споруд кН/м².

7.2 Визначення контактних напружень

Нормальні крайові контактні напруження, що діють по підошві греблі, у відповідності до наближено можна визначити за формулою позацентрового стиснення

, (7.14)

де - сума вертикальних сил, що діють по підошві секції греблі;

- площа підошви секції греблі;

- сума моментів всіх сил відносно центру ваги площини підошви греблі (т.О)

- момент опору підошви секції греблі.

Другий член формули береться із знаком “+” для верхової грані і із знаком “-” - для низової (у відповідності до знак “+” приймається для зусиль, що розтягують, “-” - для зусиль, що стискають).

Розподіл навантажень, діючих на фундаментну плиту зверху, вважається прийнятним, якщо коефіцієнт нерівномірності навантажень на основу знаходиться в допустимих границях

, (7.15)

де і - максимальне та мінімальне нормальні напруження по підошві греблі.

Нормативне значення коефіцієнту нерівномірності для глинистих основ; - для піщаних основ.

7.3 Розрахунок стійкості греблі за схемою плоского зсуву

Розрахунок стійкості виконується для секції греблі за методом граничних станів, виходячи з умови

, (7.16)

де - коефіцієнт поєднання навантажень, згідно :

- для основного поєднання навантажень - 1,0;

- для особливого поєднання навантажень - 0,9;

- для поєднання навантажень на період будівництва - 0,95;

- розрахункове значення узагальненого силового впливу (сила, що зсуває);

- розрахункове значення узагальненої сили граничного опору (несучої здатності);

- коефіцієнт надійності, згідно :

- для І класу капітальності - 1,25;

- для ІІ - 1,2;

- для ІІІ - 1,15;

- для IV - 1,1;

- коефіцієнт умов роботи, для гребель на нескельних основах - 1,0 .

Плоский зсув греблі по основі буде мати місце, якщо виконується умова

, (7.17)

де - безрозмірний критерій, приймається для щільних пісків , для решти ґрунтів .

Розрахункові значення граничного опору зсуву при плоскому зсуві і сили зсуву визначаються за формулами

Де - сума вертикальних складових розрахункових сил (включаючи протитиск);

- кут внутрішнього тертя ґрунту основи у водонасиченому стані;

- коефіцієнт умов роботи, приймається рівним 0,7;

- питоме зчеплення бетону з ґрунтом основи; для незв'язних ґрунтів;

- сума горизонтальних складових розрахункових значень активних сил, діючих відповідно з боку верхової і низової граней секції греблі, за виключенням активного тиску ґрунту.

Стійкість греблі на зсув забезпечується, якщо виконується умова (7.16).

Виходячи з умови стійкості греблі на зсув (7.16), значення коефіцієнта стійкості при горизонтальній розрахунковій поверхні зсуву

. (7.20)

Нормативний коефіцієнт стійкості

У випадку, якщо отриманий коефіцієнт стійкості менший за нормативний, необхідно забезпечити стійкість греблі за допомогою різних заходів: влаштувати плоский дренаж під греблею (зменшити тим самим фільтраційний тиск), збільшити ширину греблі по підошві (збільшити тим самим вагу греблі), влаштувати анкерний понур або застосувати комбінацію цих прийомів.

В тому випадку, якщо умови плоского зсуву, виражені формулою (7.17), не виконуються, має місце змішаний або глибинний зсув, при яких розрахунок стійкості греблі виконується за спеціальними методиками .

У випадку анкерного понуру величина визначається за формулою

, (7.21)

де - сила зсуву, що сприймається анкерним понуром

, (7.22)

де - сили вертикального гідростатичного тиску на понур зверху і повного протитиску знизу в межах площі понуру перед секцією греблі;

- вага анкерного понура перед секцією греблі і його ґрунтового привантаження;

- коефіцієнт тертя понуру по основі (для гравелисто-галькових ґрунтів - 0,5-0,6; для піщаних ґрунтів - 0,4-0,5; для супісків - 0,35-0,4;

для суглинків - 0,25-0,35; для глин - 0,2-0,3);

- площа підошви понуру в межах секції греблі;

- коефіцієнт запасу рівний .

7.4 Визначення товщини водобійної плити

Товщина водобійної плити для плоскої задачі визначається за умовами стійкості проти спливання, зсуву і перекидання.

Умови стійкості проти спливання у відповідності до методу граничних станів виражається формулою

, (7.23)

- розрахункова узагальнена сила зважування;

- розрахунковий узагальнений опір зважуванню.

Значення коефіцієнтів поєднання навантажень , умов роботи і надійності і перевантажень () визначаються, як в попередньому пункті.

У відповідності до розрахункової схеми на рис.7.3 мінімальна товщина водобійної плити за умовами стійкості проти спливання наближено визначається за формулою

, (7.24)

де - сила дефіциту тиску;

- остаточна сила фільтраційного тиску на водобійну плиту, яка при наявності дренажу під тілом греблі дорівнює нулю.

Сила дефіциту тиску визначається за формулою

, (7.25)

де , - сторони трикутника епюри дефіциту тиску;

, (7.26)

- спряжені глибини гідравлічного стрибка;

при відсутності гасителів енергії. При наявності гасителів енергії і розвантажувальних отворів ця величина дорівнює віддалі від початку водобою до другого ряду розвантажувальних отворів.

За умовами стійкості проти перекидання навколо т.А низової грані водобою його мінімальна товщина визначається наближено за формулою

, (7.27)

де - перекидаючий момент сили дефіциту тиску;

- перекидаючий момент сили залишкового фільтраційного тиску;

- перекидаючий момент гідродинамічної сили, що діє на гаситель енергії.

Моменти сил визначаються за формулами

, (7.28)

, (7.29)

- плече сили

, (7.30)

- гідродинамічна сила, визначається за залежністю

, (7.31)

- коефіцієнт опору при обтіканні гасителя ;

- площа проекції гасителя на нормаль до потоку на 1п.м. ширини водобою;

- середня швидкість течії перед гасителем

За умовами стійкості проти зсуву мінімальна товщина водобою визначається наближено за формулою

. (7.32)

Остаточно приймається найбільше з трьох обчислених значень товщини водобійної плити.

Більш точно з урахуванням пульсаційного тиску розрахунок може бути виконаний по .

7.5 Приклади статичних розрахунків

Приклад 1. Перевірити стійкість гравітаційної греблі при наступних вихідних даних. Ґрунт основи - глина щільністю , кутом внутрішнього тертя , та питомим зчепленням в водонасиченому стані. Коефіцієнт тертя бетону по глині . Ширина греблі по підошві , ширина прогону , кількість прогонів в секції греблі , товщина нерозрізного бичка , розрізного - . Довжина секції греблі . Напір на гребені греблі . Тип затвору - плоский поверхневий з колісними опорами. Глибина води в верхньому б'єфі , в нижньому , заглиблення підошви греблі під рівень нижнього б'єфу . Товщина фундаментної плити , довжина консолі фундаментної плити . Тип понуру - анкерний. Довжина понуру . Товщина бетонних плит понуру , захисний шар - пісок з питомою вагою у зваженому стані товщиною . Товщина водобійної плити . Товщина шарів ґрунту під понуром , під водобійною плитою - .

Гребля ІІІ класу капітальності. Поєднання навантажень - основне.

Розрахункова висота хвилі , довжина хвилі .

Розрахункова висота шару наносів - до рівня РМО.

Кран для обслуговування затвору - козловий.

По биках прокладено міст під автомобільну дорогу. Габарит мосту Г-7.

Власна вага греблі

;

.

Власна вага биків

;

Горизонтальні складові сил гідростатичного тиску

;

;

Ордината 7-8 епюри горизонтальної сили гідростатичного тиску

Ордината 9-10 епюри горизонтальної сили гідростатичного тиску

.

Вертикальні складові сили гідростатичного тиску

;

;

;

Сила фільтраційного тиску

.

Сила зважуючого тиску

.

Сила хвильового тиску за формулою (7.2)

,

де .

Плече сили відносно рівня спокійної води верхнього бєфу за формулою (7.6)

Горизонтальна складова сили тиску наносів за формулою (7.5)

.

Максимальна ордината епюри

Вертикальна складова сили тиску наносів за формулою (7.7)

Сила активного тиску ґрунту

Ординати епюри сили активного тиску шару ґрунту за формулою (7.8)

;

.

Сила пасивного тиску ґрунту

Ординати епюри сили пасивного тиску шару ґрунту

;

;

.

Вага затвора (для плоского поверхневого затвору з колісними опорами , ).

Вага козлового крану з таб.7.2. для , , плоского поверхневого затвору з колісними опорами .

Вага мосту .

Корисне тимчасове навантаження приймається з інтенсивністю 6,0кН/м²

.

Діючі на греблю сили, їх значення та моменти відносно центра ваги підошви секції наведені в табл. 7.3.

Визначаємо нормальні контактні напруження, які діють по підошві греблі

.

;

Отже, нормальні контактні напруження стискаючі. Їх нерівномірність характеризується коефіцієнтом нерівномірності

,

що є прийнятним, оскільки для глин його допустиме значення досягає

Перевіряємо виконання умови (7.17)

Умова виконується, отже, можливий лише плоский зсув греблі по основі.

;

;

;

;

;

;

Таблиця 7.3

;

;

;

.

Нормативний коефіцієнт стійкості для гребель ІІІ класу капітальності при основному поєднанні навантажень та коефіцієнті умов роботи

Отриманий коефіцієнт стійкості дещо перевищує нормативний, отже, гребля має необхідний запас стійкості на зсув.

Приклад 2. Визначити товщину водобійної плити при наступних вихідних даних: питома витрата на водобої ; спряжені глибини гідравлічного стрибка , ; довжина водобою ; глибина води перед водобійною стінкою - .

Другий ряд розвантажувальних колодязів розташований від початку водобою на відстані . Гаситель - водобійна стінка висотою . Основа складена пісками середніми.

За умовами стійкості проти спливання мінімальну товщину водобійної плити визначаємо за формулою (7.24)

;

;

.

За умовами стійкості проти перекидання навколо низової грані мінімальну товщину водобою визначаємо за формулою (7.27)

;

;

;

;

.

За умовами стійкості проти зсуву мінімальна товщина водобою визначається за формулою (7.32)

Остаточно приймається

.

8. Об'єм і склад проектних документів

Проект представляється у вигляді креслень та пояснювальної записки.

Креслення виконуються на листі формату А1.

Перелік креслень:

- план гідровузла з розміщенням всіх гідроспоруд в масштабі виданого топографічного матеріалу;

- поперечний переріз водозливної греблі та ділянки кріплення нижнього б'єфу в масштабі 1:200 - 1:500;

- частина плану водозливної греблі (один або два прогони) та її спряження з берегом, земляною греблею та іншими спорудами в тому ж масштабі, що і план;

- вид з верхнього б'єфа на 1 - 2 крайніх прогони та спряження з глухою греблею в масштабі 1:200 - 1:500;

- переріз стояну в масштабі 1:200 - 1:500;

- деталі споруди в масштабі 1:50 - 1:100.

Пояснювальна записка повинна містити всі розділи, передбачені даними методичними вказівками. Текст пишеться з дотриманням всіх граматичних та стилістичних правил. Скорочень в словах, за виключенням загальноприйнятих, не допускається.

В тексті робляться посилання на використану літературу, схеми, креслення. В записці наводять лише остаточні розрахунки, що відносяться до остаточного варіанту споруди. На початку кожного розрахунку наводяться вихідні дані, потім - розрахункові формули. Результати розрахунків наводяться, по можливості, в табличній формі. Арифметичні викладки не наводяться, представляється лише кінцевий результат. Розрахунки повинні супроводжуватись розрахунковими схемами.

9. Література

Підручники і навчальні посібники

1. Вощинин А.П. и др. Проектирование речных гидроузлов на нескальных основаниях . - М.: Энергия, 1967. - 263с.

2. Гидротехнические сооружения. Под ред. Гришина М.М. - М.: Высшая школа, 1979. - 614с.

3. Гунько Ф.Г. Материалы по гидравлическим расчетам нижних бьефов водосливных бетонных и железобетонных гравитационных плотин, возводимых на нескальных основаниях. - М. - Л.: Энергия, 1966. - 109с.

4. Кох П.И. и др. Козловые краны для гидроэлектростанций. - М: Машиностроение, 1972.

5. Чугаев Р.Р. Гидротехнические сооружения. ч.2. Водосливные плотины. - М.: Агропромиздат, 1985. - 300с.

Довідкова література

6. Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений. Справочное пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 624с.

7. Справочник проектировщика. Гидротехнические сооружения. - М.: Стройиздат, 1983. - 534с.

Нормативна література

8. Рекомендации по определению гидродинамических нагрузок, воздействующих на плиты водобоев и рисберм водосливных плотин. - М.: Стройиздат, 1978. - 36с.

9. Рекомендации по расчету местных размывов русел, сложенных из нескальных грунтов. - Л.: ВНИИГ, 1981. - 37с.

10. СНиП 2.06.01-85 Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования. - М.: Стройиздат, 1989. - 51с.

11. СНиП 2.02.02-85 Основания гидротехнических сооружений. - М.: Стройиздат, 1986. - 45с.

12. СНиП 2.06.04-82* Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). - М.: Стройиздат, 1984. - 83с.

13. СНиП 2.06.06-85 Плотины бетонные и железобетонные . - М.: Стройиздат, 1986. - 75с.