Гидроузел с плотиной из грунтовых материалов

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

 

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

Кафедра «Гидротехнические сооружения»

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

 

«Гидроузел с плотиной из грунтовых материалов»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила: студентка 473 группы Митрейкина И. И

Проверил: Сабитов  М.А

 

 

 

 

                                       Москва 2006

                                                 Введение

Грунтовые плотины составляют 80% построенных плотин. Основными их преимуществами сэкологической и экономической точек зрения является использование местного строительного материала грунта. Для его получения требуются в основном затраты на вскрышные работы в карьерах, но они в общей стоимости сооружения не значительны. Основные преимущества грунтовых плотин:

1. возведение  в любом  географическом районе с любыми  климатическими условиями;

2. могут быть построены  в сложных геологических условиях  на скальных и нескальных основаниях;

3. для возведения плотин  приемлемы практически любые  грунты, а производство механизировано; высоты

4. сооружения могут возводиться  практически любойвысоты.

К недостаткам следует отнести:

1. сложность сброса паводковых расходов непосредственно через плотину, при этом необходимо специальное сооружение для пропуска расходов;

2. наличие  в теле плотины  фильтрационного потока создает  условия для деформации тела  плотины;

3. большие фильтрационные  потери воды при некоторых  грунтах, что требует специальных  противофильтрационных  устройств.

 

1. Выбор створа и описание компоновки сооружений гидроузл

 

         Проектируемый в курсовом проекте  гидроузел с плотиной из грунтовых  материалов служит для решения  комплекса водохозяйственных задач. В число этих задач входят:

• создание водохранилища, в ложе которого 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, обеспечивающих создание живого тока воды в меженный период и улучшающих 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 и местоположения водопропускных сооружений. Она должна быть наиболее рациональной, простой и удобной с точки зрения возведения и эксплуатации гидроузла при минимальных затратах. В соответствие с заданием в состав основных сооружений гидроузла входят: плотина из грунтовых материалов, паводковый водосброс и водовыпускдля подачи воды в нижний бьеф.

 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.

Створ плотины следует выбирать 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.

Для этого на топографическом плане речной долины, прилагаемом к заданию, следует наметить несколько вариантов створа в местах сужения долины.

Чаще всего наименьший объем тела плотины соответствует минимальной длине плотины по гребню. Поэтому на обоих берегах реки следует нанести горизонтали местности, соответствующие отметке гребня будущей плотины (ÑГр), которую предварительно можно определить по формуле:

Гр=ÑФПУ +hs =115,7+1,7=117,4 м.  (1.1)

где ÑГр - отметка форсированного подпорного уровня воды в водохранилище, при которой осуществляется пропуск поверочного расхода паводкового водосброса;

 

hs- запас (в метрах) высоты гребня плотины над отметкой, форсированного подпорного уровня воды в водохранилище.:

hs =(1…2,5м.)=1,7м(1.2)

       После  этого на данной стадии проектирования  устанавливаем длину гребня плотины для створа с учетом масштаба топографической основы. Длина створа  Lствора=454 м. После выбора створа на миллиметровке строим продольный профиль по выбранному створу (рис.1).

 

 

2. Проектирование  плотины из грунтовых материалов

2.1. Выбор типа  плотины

Выбор типа плотины прежде всего зависит от наличия тех или иных материалов в ближайших карьерах и максимального использования материалов из полезных выемок. В моем варианте в наличии имеются проницаемые грунты: супесь и крупный песок. Чтобы выбрать грунт из которого будет возводиться плотина, необходимо использоватьследующие критерии:

• Коэффициент фильтрации  Кф грунта (если Кф< 10-15м/с, то грунт можно использовать для однородной плотины).
• Сложность производства работ. (напрямую связанна с удельным сцеплением с, Кн/м2).
• Дальность возки.

Проанализируем грунты по этим трем параметрам и выберем наиболее оптимальный вариант.

Супесь.Кф=0,3м/с < 10-15м/с, залегает на высоких отметках.не сложен в производстве с=11Кн/м2.

Песок крупныйКф=8,0м/с<10-15м/с, но на много больше Кф супеси, грунт залегает на низких отметках, более сложен в производстве.

Из рассмотренных вариантов плотин наиболее подходящим является вариант однородной плотины из супеси. Это связано с простотой производственных работ, удобством расположения карьера супеси и меньшим  расстоянием транспортировки рабочего грунта.

 

 

 

2.2 Конструирование поперечного профиля плотины.

Размеры поперечного профиля плотины зависят от типа плотины, ее высоты, характеристик грунта тела плотины и ее основания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Где 1,2- бермы на верховом и низовом откосе;

3- русловой дренаж;

4- подошва плотины;

5- гребень плотины;

2.2.1. Предварительное назначение коэффициентов заложения откосов

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; 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 Далее правильность предварительно принятых значений коэффициентов заложений откосов плотин проверяется расчетами устойчивости откосов.

Плотина в высоту больше 15 м и выполнена из песчаного грунта, поэтому ориентировочно коэффициенты заложения откосов принимаем:

- верховой  mв=3;

- низовой   mн=2.

 

 

2.3. Проектирование  креплений откосов плотины

2.3.1. Верховой  откос

Для защиты верхового откоса от волнового воздействия предусматривается устройство крепления. Тип крепления обычно устанавливается на основе технико-экономического сравнения вариантов при условии максимального использования средств механизации и местных материалов, учёта характера грунта тела плотины, агрессивности воды, долговечности крепления в период эксплуатации, архитектурных требований. В расчёт крепления входит определение толщины крепления и подбор подготовки под него. Параметры предварительно определённого типа крепления окончательно рассчитываются после оценки волнового воздействия на верховой откос плотины. Далее рассматриваются эти вопросы применительно к каменному и железобетонному покрытиям, как наиболее распространённым и хорошо зарекомендовавшим себя в работе.

 

2.3.1.1. Обоснование  конструкции крепления. Определение  параметров крепления.

Оценим возможность применения имеющихся крупнообломочных грунтов. В расчетах определяем диаметр  камня и толщину крепления, она должна быть равна (2,5…3)∙Dк.

Если Dк > 0,3…0,4 м , то для крепления используют железобетонные плиты с расчетной толщиной tпл.

При креплении откосов каменной наброской массу отдельных камней Q находят из условия устойчивости против размывающего действия волн в зоне их обрушения по формуле

                         Q==

где  j0- плотность воды 1,0 т/м3;

 плотность камня;

=2,65т/м3

hв- высота волны при ФПУ;

*- длина волны;

hв=0,0208∙=0208∙ м

*=(8…10) hв=8∙0,83=6,56 м

Зная массу камня, его диаметр, приведенный к диаметру шара, можно определить по формуле:

                                  Dк=× =0,2 м

 

Толщину крепления откоса камнем принимают не менее 3∙Dк

Под крепление из каменной наброски предусматривают однослойную подготовку из щебенистого материала с коэффициентом неоднородности  η=5…20. Толщину подготовки принимаем 0,2 м.

 

2.3.2. Выбор типа  и конструирование крепления  низового откоса

Назначение крепления- предотвратить разрушение откоса от атмосферных воздействий, в том числе ливней, размыва ручьями ,образующимися при таянии снега. А так же ветровой эрозии.

Основные типы крепления:

• Залужение (посев трав по слою растительного грунта t=0,2-0,3 м
• Одерновка- сплошная или в клетку.
• Покрытие откоса слоем гравия или щебня t=0,2-0,3 м

Моя плотина строится в р. Мордовия. В этом регионе атмосферные проявления средней интенсивности. Поэтому я выбираю крепление низового откоса в виде залужения, как наиболее дешевое.

2.4. Конструирование  гребня и берм плотины

2.4.1. Назначение  размеров гребня и берм

Гребень плотины конструируется из условий производства работ и эксплуатации плотины. Прежде всего необходимо обеспечить проезд транспорта и сельскохозяйственной техники. Поэтому ширину гребня принимают в зависимости от категории дороги. (табл. 3.1 [1])

В курсовом проекте принимаю категорию дороги IV,тогда ширина проезжей части будет равна 6м., обочин 2м., земляного полотна 10м.

В поперечном направлении дороге придают двусторонний уклон, принимая его равным при асфальтированном покрытии 1,5%. В пределах обочин устраивают ограждения в виде парапетов.

Во избежание пучения грунта гребня плотины при морозах, предусматривают защитные слои из песка и щебня. Толщину защитного слоя в моем варианте, включая толщину покрытия дороги, следует назначить не менее глубины сезонного промерзания в районе возведения плотин – республика Мордовия.

hпром=1,5м.

На высоких откосах при необходимости устраивают бермы. На верховом откосе берма служит для размещения здесь упора.

Б1=  УМО-2hв=106,5-2*0,64=105,2м

Б1=  УМО-1,5*tльда=106,5-1,5*0,6=105,6м

Где hв- высота волны при УМО;

hв=0,0208∙W5/4∙L1/3=0,0208∙165/4∙0,91/3=0,64 м

гдеV-скорость ветра при УМО;

L-длина разгона волны(км);

tльда-толщина льда 0,6м;

Из этих двух условий принимаем условие с наименьшей отметкой.

  Б1=105,2м.

Берма на низовом откосе находится на отметке

   Б2=  Д+()=

Где  Д-отметка верха дренажа;  

                        Д=  УНБmax+0,3=102,6+0,3…0,4м

        0,3…0,4м-инженерный  запас;

   Д=  УНБmax+0,3=102,6+0,3=103м

Берма предназначена для ремонта откосов, а так же здесь размещают водосборный латок и контрольно-измерительную аппаратуру.

Ширину берм земляных плотин назначают: на верховом откосе b1=0…5м

b2=0…6м; b3=1…3м. В моем варианте принимаю ширину берм b1=4м; b2=4 м; b3=1 м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4.2 Уточнение отметки гребня плотины

Отметку гребня плотины определяют из условия недопущения перелива воды через гребень.

Гребень (рис. ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.8. Схема к определению отметки гребня плотины (без парапета).

1 - расчетный статический уровень; 2 - средняя волновая линия; 3 - гребень плотины.

↓Гр=↓УНБmax +hн+а+∆h                         

где  ∆h- высота ветрового нагона воды, м;

         hн - высота наката ветровых волн обеспеченностью 1%, м;

         а - конструктивный запас гребня, м.

Расчеты по формуле  (  ) следует проводить для двух расчетных случаев:

1. уровень воды на отметке НПУ.
2. Уровень воды на отметке ФПУ.

Отметка гребня при ФПУ

Высоту ветрового нагона вычисляют по формуле:

                             ∆h=Кв (W2∙L/q∙H)cos ɑв 

 ∆h = 2,1∙10-6(152∙2450/9.81∙15,7)1=0,0075 м

Кв – коэффициент зависящий от скорости ветра;  Кв =2,1∙10-6